基于CORDIC算法的级联多电平逆变器门控脉冲产生的FPGA设计

ArunKumar。M1, Gowdra Vinay Kumar 2, Sanjay lakshminarayanan博士3

印度卡纳塔克邦班加罗尔欧洲经委会学院副教授
PG学生[超大规模集成电路和嵌入式系统]，ECE系，EPCET，班加罗尔，卡纳塔克邦，印度
印度卡纳塔克邦班加罗尔MSRIT EEE系副教授

摘要

本文设计了一种基于FPGA的五电平级联多电平逆变器门触发脉冲。CORDIC算法在FPGA上实现，用于计算不同的正弦值。这些正弦值用于产生五电平级联多电平逆变器的门脉冲。利用MATLAB/SIMULINK软件对所提方法进行仿真验证。门控信号由FPGA Spartan-2处理器生成。该处理器采用Verilog HDL设计，采用结构化编码方法，模拟使用模型并利用Xilinx 7.3FPGA合成工具实现了Sim模拟器。对门控脉冲进行了分析和验证，并与MATLAB/SIMULINK中得到的实际脉冲进行了比较。

关键字

级联多电平逆变器，CORDIC,Verilog, MATLAB/SIMULINK，门控脉冲。

介绍

多电平逆变器用于需要高电压、大电流的应用场合。多电平逆变器的拓扑结构具有较低的THD、较低的EMI产生、更好的输出波形以及在给定输出波形质量下的更高效率等优点。实现更高功率的多电平转换器的基本概念是使用一系列功率半导体开关和几个较低电压直流源，通过合成近似正弦波的阶梯电压波形来执行功率转换。尽管多电平逆变器有许多优点，但一个主要缺点是需要更多的功率半导体开关。这种对功率半导体开关的需求导致了复杂的控制算法和开关策略。传统的控制算法和切换策略是在微处理器或DSP处理器上实现的。这种类型的处理器按顺序执行指令;它们本身就很慢，内存带宽也很低。现场可编程门阵列(FPGA)克服了上述缺点，而且FPGA上逻辑资源固有的并行性允许即使在低MHz时钟频率下也有相当大的计算吞吐量。由于这些优点，fpga非常适合于多电平逆变器[1]。

这些复杂算法的实现需要计算诸如正弦、余弦或平方根等数学函数。这些函数是用线性插值或幂级数技术计算的。在fpga上实现时，通常将值预先计算并存储在查找表(LUT)中，如果使用插值或幂级数方法需要计算，则使用乘法器。lutt是最快的计算方法，但结果的精度与可查表的大小直接相关。幂级数的使用缓慢收敛到所需的精度，需要更多的迭代，并取决于乘数的可用性。计算诸如正弦，余弦等数学函数的技术之一是坐标旋转数字计算机(CORDIC)[3]，[4]。这种方法是上述两种方法的折衷，在不需要大量内存的情况下保持精度。

本文提出了一种基于等直流源级联多电平逆变器拓扑结构的多电平逆变器门控脉冲生成方法。本文的主要目的是讨论级联多电平逆变器的门控脉冲产生方案。为了产生门控脉冲，需要在不同的时间瞬间的正弦值。为了计算正弦值，使用CORDIC算法。该计算正弦值，然后用于计算门控脉冲级联多电平逆变器。

本文组织结构如下。第二节讨论了级联多电平逆变器的工作原理。第三节介绍CORDIC算法方法。第四节讨论级联多电平逆变器的门控脉冲产生方法及仿真结果。提出的CORDIC算法方法以及ModelSim仿真结果在第五节中给出。最后，第六节总结了结论。

2操作五电平级联多电平逆变器

为此，设计了一种五电平级联式多电平逆变器。在该配置中，四个单相hbridge串行连接用于九电平逆变器。这导致在正半周期中有5级电压，在负半周期中有5级电压，包括Ã¢Â′Â 0′电压级。一般来说，m级逆变器所需的桥数为(m−1)/2。单相级联五电平逆变器框图如图1所示。每个桥模块由四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成，如图2所示。每个桥都由独立的源来供电。因此，对于九电平逆变器，需要四个直流电源。该多电平逆变器的一般功能是合成一个阶梯电压波形，近似于正弦波如图3所示，从几个独立的直流电源，可以从电池，燃料电池，太阳能电池或超级电容器[2]获得。其中，emij为单个电桥中的开关，i为电桥数，j为逆变器中的开关数。表一给出了输出电压在一个四分之一周期内的电压等级及其对应的开关状态。状态条件1表示开关开启，状态条件0表示开关关闭。 Each switch is turned on only once per cycleand therefore reduces switching losses.

最大输出相电压为V0 = V1 +V2 + V3 + V4，如图3所示。合成九级电压波形的步骤如下。

1.对于输出电压V0 = 0, h桥上的开关均未打开。

2.当输出电压为V0 = V1时，闭合开关M11、M12、M22、M24、M32、M34、M42、M44。

3.当输出电压为V0 = V1 + V2时，按步骤2和M41所述，打开所有开关。

4.当输出电压为V0 = V1 + V2 + V3时，打开步骤3和M31中的所有开关。

5.当输出电压为V0 = V1 + V2 + V3 + V4时，打开步骤3和M21中的所有开关。

3CORDICALGORITHM

CORDIC是一种迭代算法，用于科学和工程领域，仅使用移位和添加操作来执行几个数学函数。CORDIC最早是由j.e.v volder在1959年提出的，用于评价三角函数。1971年，J. Walther将cordicalgorithm扩展到双曲函数，该算法现在被用于矩阵计算、数字信号处理、数字图像处理、通信、机器人和图形学等许多应用领域。

CORDIC有两种模式，用于计算不同的函数，它们是

Ã¯Â Â '旋转模式

Ã¯Â Â '向量模式

Ã¯Â Â¶

在旋转模式下，给出了一个矢量和一个旋转角度的坐标分量，并计算了原矢量经过给定角度旋转后的坐标分量。

Ã¯Â。Â¶向量模式:

在矢量模式下，给出了给定矢量的坐标分量，并比较了原始矢量的幅值和角参数。

CORDIC的基本思想是在给定的角度上旋转矢量。每一个基本旋转都是通过shift和add操作来实现的。一个矢量被旋转通过称为迭代的固定数量的步骤。如果向量v如图4所示。有坐标(x和y)通过角度Φ旋转，然后获得一个新的向量，其中x '和y '可以通过以下方法获得。

表II给出了300的计算。

四、级联多电平逆变器门控脉冲产生方案

级联多电平逆变器(CMLI)栅脉冲产生方案的Simulink模型如图5所示。Simulink模型的输出如图6所示。从方案中可以看出，正弦信号与不同的直流电平进行了比较。正弦信号值的峰值设为1。在双电平CMLI的情况下，直流电平比较为+0.5和-0.5，如图5所示(constant1和constant2)。首先将正弦信号分成两部分，一部分由正半周期组成，另一部分由负半周期组成。这是通过比较正弦信号的常数值0.1和-0.1(这个值是为了避免故障)来完成的。得到的信号为图1中桥式逆变器-1的mosfet的门控信号，如图6所示，该信号命名为G11G12和G13G14。如果比较的正弦信号在0.1 ~ 0.5级之间，则将得到的信号分别与信号G11G12和G13G14相加，得到如图6所示的门控信号G22和G24。

在九级CMLI的情况下，常数级数为三个，级别分为0.25、0.5和0.75，对五级CMLI外推上述相同的方案，得到如下如图7所示的门控脉冲。

将上述门控脉冲应用于9级CMLI的mosfet栅极，如图8所示，9级CMLI输出电压波形仿真结果如图9所示。

V. fpga实现和结果

在第三节中讨论的门控信号产生方案包括比较不同恒定电平的正弦信号。在九级CMLI的情况下，水平分别为0.25,0.5和0.75。在传统的方法中，这是通过比较不同直流电平的正弦波来完成的，这是由比较器电路来完成的。本文采用FPGA进行数字实现。所需的正弦值按第二节中讨论的计算，门控脉冲按第三节中讨论的方案产生。所使用的FPGA器件系列是Spartan - 2，目标器件是xc2s100，时钟速度为4MHz。所使用的编程语言是VERILOG，并使用MODELSIM进行模拟。图10为MODELSIM模拟9级CMLI产生的门控脉冲结果。图11显示了在CRO中捕获的FPGA的端口引脚输出。如图11所示，FPGA在CRO中的最终输出与MATLAB的模拟结果相匹配，如图7所示。 This gating pulse thus generated is applied to nine level CMLI through driver circuit as shown in Fig. 1 to obtain the load voltage waveform as shown in Fig. 9. Table 2 gives the device utilization of the FPGA target device xc2s100 and it is observed that, the utilization of device is very economical.

六。结论

讨论了一种基于CORDIC的九能级CMLI栅极脉冲产生方案。CORDIC是一种通用算法，广泛应用于数字信号处理、数字图像处理、通信、机器人和图形学等领域。本文成功地实现了CORDIC算法用于CMLI的门控脉冲生成。最重要的特性是，查找表不用于存储正弦值，而是在所需的时刻计算正弦值。该方法的主要优点是计算出的正弦值的精度高，相对于电磁干扰的角度可以提供更好的性能。这种方法还提供了更好的设备利用率，如表III所示，因为CORDIC只使用移位器和加法器，而不是乘法器。

参考文献

L. M. Tolbert, F. Z. Peng, T. Habetler，Ã¢Â ' Â(大型电驱动多级转换器)，Ã¢Â ' Â (IEEE工业应用学报，vol. 35, pp. 36-44, 1月/ 2月。1999.
赖建生，彭福忠，多电平变换器——一种新型功率变换器，IEEE。1996年5月/ 6月，法令第32号3509 - 517。
J.E. Volder， Ã¢Â ' Â 3三角函数计算技术，电子计算机卷8,pp. 330-334, 1959。
J.S. Walther， Ã¢Â ' Â -初等函数的统一算法，见:春季论文集。联合计算机会议，第379-385页，1971。
Andraka, R，Ã¢Â ' Â基于computersÃ¢Â ' Â， FPGA ' 98的CORDIC算法的调查，在ACM/SIGDA现场可编程门阵列国际研讨会上，pp. 191- 2000,1998。