基于FPGA的AC-AC谐振变换器实现

       非接触电能传输系统的核心环节就是高频交变磁场的产生，目前普遍采用的方法是利用软开关谐振变换器将输入低频交流电(或者直流电)转换为高频交流电，所使用的电路拓扑主要为AC-DC-AC或是DC-AC拓扑[5]。对工频交流输入的场合，传统AC-DC-AC拓扑存在电路复杂、效率低、成本高等缺点。为此，人们提出了一种新型的AC-AC变换拓扑来实现从低频交流到高频交流的直接变换[6]。这种新型的变换拓扑基于一种能量注入控制方法，当输出电流幅值高于设定值时，可使谐振回路的能量自由振荡或者回馈到电网;当输出电流幅值低于设定值时，向谐振回路注入能量。具有电路拓扑简单、可靠性高、转换效率高、低EMI等优点，在非接触电能传输系统及感应加热电源系统中有着很好的应用前景。

　　为了实现新型AC-AC变换拓扑所有开关器件的软开关控制及输出电流的幅值控制，本文基于FPGA控制平台设计了系统的实时幅值控制器，分析了系统的控制要求，设计了控制器硬件及软件，并进行了实验验证。

　　1 AC-AC电路工作原理分析

　　能量注入式AC-AC谐振变换器的拓扑结构如图1所示。整个电路由4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4，反并联二极管D1、D2、D3、D4及RLC的串联谐振网络组成。S1、S2及反并联二极管组成的双向开关用于谐振网络的能量注入及能量回馈;而S3、S4及反并联二极管组成的双向开关则用于控制谐振网络内能量的双向流动。

　　

 

　　根据输入交流电VAC的不同极性，电路有着互相对称的两个半周期运行模式，即正半周和负半周模式。在每个半周期内，根据谐振电流的不同，电路均存在三种工作模态：能量注入、自由谐振及能量回馈。本文只讨论输入电压正半周时系统的工作模式，负半周时可以对称的形式得到。(1)能量注入模态：该模态中S1、D2导通，其余开关管及二极管关断，能量正向注入谐振回路，谐振电流幅值增大。(2)自由谐振模态：谐振电流正向时，D3、S4导通;谐振电流反向时，S3、D4导通，谐振回路在无能量注入的情况下自由振荡，谐振电流幅值逐渐减小。(3)能量回馈模态：谐振电流反向时，S2、D1导通，谐振回路向电源回馈能量，谐振电流幅值快速减小。

　　2 控制系统结构设计及电流峰值控制策略

　　为了实现系统输出谐振电流幅值近似恒定，同时保证系统运行在零电流(ZCS)软开关模式，基于FPGA芯片设计系统的反馈控制结构框图如图2所示。系统为双闭环控制结构，内环检测谐振电流的过零信号，用以实现ZCS软开关工作模式;外环采用误差比较器将反馈信号与参考电流值进行比较，以确定输出电流幅值是否在误差范围内，从而根据50 Hz交流信号的极性及误差比较信息判断系统的工作模态，以稳定输出谐振电流幅值。

　　

 

　　根据上述控制系统结构，结合系统的工作模式，设计系统的峰值控制策略如表1所示。