FPGA平台实现最小开关损耗的SVPWM算法

　　引言

　　脉冲调制技术(PWM)已被广泛应用于逆变器的设计当中，电压空间矢量调制技术(SVPWM)与SPWM相比，直流电压利用率提高了(15.4%)，且利于数字化实现。本文介绍了一种基于不连续调制的SVPWM算法，可根据负载功率因子在不同扇区内灵活放置零电压矢量，与传统的连续调制SVPWM相比，在增加开关频率的同时减小了开关电流。仿真结果也表明这种方法有着最小的开关损耗。

　　现场可编程逻辑阵列FPGA是高集成度和高复杂度的可编程ASIC，具有设计灵活、开发周期短、可靠性高、纯硬件并行处理、不占用CPU资源等特点。本文以FPGA硬件平台来实现算法，采用硬件连线实现软件算法，实现真正的并行运算，这样可降低系统对MCU/DSP的速度要求。此外，基于IP核的模块化设计使得系统设计灵活，便于升级维护，满足更高性能的要求。

　　1 SVPWM原理

　　图1为典型的电压型三相两电平逆变器的设计，开关一共有8种不同的状态，因此逆变器的输出电压可以由这8种不同开关状态来合成。

　　定义单个开关状态，三相坐标系经Clarke变换为复平面α—β坐标系

　　模长为0称为零电压矢量，6种开关状态如图2所示，电压矢量空间被6个有效电压矢量分为6个扇区。

　　根据伏秒原则，落入任何一个扇区的电压矢量都可由两个相邻的有效电压矢量合成得到：

　　2 零空间矢量放置调制策略

　　逆变器换向序列是指在一个采样周期内有效电压矢量和零空间矢量的切换方式。在同一扇区，零矢量既有又有，称为连续调制，只有其中一种零矢量称为不连续调制。有效脉冲居中放置，且沿半开关周期对称放置，可以获得比同等条件下其他放置方式更好的谐波性能。

　　2.1 传统SVPWM开关序列

　　传统SVPWM开关序列采用连续调制方式，在开关周期内两个零矢量和的作用时间相等，图3为在扇区I中传统SVPWM开关序列排列方式。

　　2.2 最小开关损耗

　　在考虑逆变器性能时，还需考虑开关损耗Ploss：

　　式中，g(uT，iT)是uT、iT的单调增函数，uT、iT和fT分别是开关器件的开关电压、电流和实际的开关频率，对于电压源型逆变器uT是固定的，因此，若想减小开关损耗Ploss，可以从减小开关频率fT和开关电流iT两方面来考虑。

　　①减小开关频率fT。从图2中可以看出，在不同的扇区中选择合适的零电压矢量，可以使得某个桥臂在一段连续的区间内表现出常开或常闭特性即无开关动作。在空间矢量的一段区间内只选择一个零矢量，这样根据观察可以得到，这种不连续调制的开关动作与传统的SVPWM相比，开关频率降低了1/3。因此在同样的开关损耗下，不连续的开关频率可增加至传统SVPWM的3/2倍。