选通脉冲生成使用CORDIC算法在FPGA设计的级联逆变器多水平

ArunKumar。M1, Gowdra Vinay Kumar 2,桑杰Lakshminarayanan3博士

副教授,ECE称,EPCET,卡纳塔克邦,印度班加罗尔
PG学生(VLSI和嵌入式系统),部门的ECE EPCET,卡纳塔克邦,印度班加罗尔
副教授,EEE称,MSRIT,卡纳塔克邦,印度班加罗尔

文摘

本文基于FPGA的门为五级触发脉冲级联多电平逆变器的设计。CORDIC算法在FPGA上实现用于计算不同的正弦值。这些正弦值是用于生成门的五级脉冲级联多电平逆变器。使用MATLAB / SIMULINK仿真软件仿真和验证的方法。控制信号生成使用FPGA Spartan-2处理器。处理器是用Verilog HDL设计使用一个结构化编码方法,模拟使用模型Sim模拟器和使用7.3 Xilinx fpga实现合成工具。选通脉冲进行了分析和验证,并与实际的脉冲从MATLAB / SIMULINK获得。

关键字

级联多电平逆变器、CORDIC Verilog, MATLAB / SIMULINK,选通脉冲。

介绍

多电平逆变器中使用的应用程序需要高电压和大电流。多电平逆变器的拓扑结构有几个优势,如低飞,降低EMI代,更好的输出波形和更高的效率对于一个给定的输出波形质量。多级转换器的基本概念来实现更高的权力是使用一系列电力半导体开关和几个低电压直流动力资源来执行转换,合成一个楼梯电压波形近似正弦波。尽管多电平逆变器有很多优势,一个主要的缺点是所需的功率半导体开关数量就越大。这需要很多功率半导体开关导致复杂的控制算法和开关策略。传统控制算法和切换策略在微处理器和DSP处理器实现。这种类型的处理器执行指令顺序;本质上他们是缓慢和低内存带宽。现场可编程门阵列(FPGA)克服以上缺点,也固有的并行逻辑资源在一个FPGA允许相当大的计算吞吐量甚至MHz时钟频率低。由于这些优势fpga非常适合多电平逆变器[1]。

这些复杂的算法的实现需要计算的数学函数,如正弦cosineorsquareroots。这些函数使用线性插值或幂级数计算技术。在fpga上实现通常值是预先计算并存储在查找表(附近地区),如果计算需要使用插值或幂级数方法使用乘数。LUTsarethefastestwaytomakethecomputation; buttheprecisionofthe resultis直接relatedtosizeof thelook-uptable。Theuseof powerseriesisslowtoconvergetoadesiredprecision和需要更多的迭代和取决于乘数的可用性。计算数学函数的一个技术如正弦、余弦等是协调旋转数字计算机(CORDIC) [3], [4]。Thismethod isacompromisebetween thetwomethods describedabovewhereintheprecisionispreservedwithoutany considerablememoryrequirement。

本文的方法生成控制脉冲的多电平逆变器的基础上,提出了级联多电平逆变器拓扑以同样的直流源。本文的主要目的是讨论关于级联多电平逆变器的控制脉冲生成方案。生成选通脉冲需要正弦值在不同瞬间的时间。CORDIC算法计算正弦值。然后使用这个计算正弦值计算控制脉冲级联多电平逆变器。

本文组织如下。第二部分,讨论了级联多电平逆变器的工作原理。第三部分,描述了CORDIC算法的方法。第四部分,讨论了对级联多电平逆变器控制脉冲生成方法和仿真结果。提出了CORDIC算法方法以及ModelSim仿真结果提出了在第五部分。最后在第六部分结论进行了总结。

二世。级联MULTILVEL逆变器运行五年水平

5级级联型多电平逆变器被认为是对于这个工作。在这个配置中,四个单相Hbridges连续9 - levelinverter相连。这个结果在一个5级电压的正半周和5级电压的负半周期包括¢0的电压水平。一般桥梁的数量需要一个m级逆变器(m−1) / 2。单相逆变器级联五水平的框图见图1。每个桥模块comprisesof四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是图2所示。每个桥由separateSources精力充沛。因此九级逆变器四个直流来源是必要的。多电平逆变器的通用功能是合成一个楼梯电压波形近似正弦波如图3所示从几个独立的直流源可能来自电池、燃料电池、太阳能电池、超电容[2]。whereMij个人桥的开关,我是桥的数量和j数字开关逆变器。表我显示了电压水平和相应的开关状态在一个季度周期的输出电压。State condition 1 means the switch is on and 0 means the switch is off. Each switch is turned on only once per cycleand therefore reduces switching losses.

最大输出相电压作为V0 = V1 + V2 + V3 + V4见图3。合成的步骤9水平的电压waveformsare如下。

1。输出电压水平V0 = 0, H-bridges没有开关打开。

2。输出电压电平V0 = V1,打开开关M11公路,M12锰,M24,两个同伴M32, M34 M42, M44。

3所示。输出电压电平V0 = V1 + V2,打开所有的开关在步骤2中提到和M41。

4所示。的输出电压水平V0 = V1 + V2 + V3,打开所有步骤3和M31的开关。

5。的输出电压水平V0 = V1 + V2 + V3 + V4,打开所有的开关在步骤3和M21。

三世。CORDICALGORITHM

CORDIC称为迭代算法只使用shift-and-add操作执行几个科学和工程领域的数学函数。CORDIC被J.E.首先描述了1959年Volder[3]对三角函数进行评估。1971年,j·沃尔特[4]extendedtheCORDICalgorithm tohyperbolicfunctionsandthealgorithm istodayusedin manyapplicationareassuchasmatrixcomputation,数字signalprocessing digitalimageprocessing,通信,roboticsandgraphics。

CORDIC经营的两种模式计算的不同的功能,

一个¯旋转模式

一个¯矢量模式

一个¯¶旋转模式:

在旋转模式中,矢量的协调组件和旋转一个角度,原始的坐标分量矢量,在旋转角度计算。

一个¯¶矢量模式:

在矢量模式下,协调给出给定向量的分量和原始矢量的大小和角度参数进行了比较。

CORDIC的基本思想是在给定角度旋转向量。每个基本旋转realizedby使用转变和添加操作。一个矢量旋转通过固定数量的步骤被称为asiterations。如果一个向量v如图4所示。有坐标(x, y)是通过旋转一个角度Φobtaininga新向量与坐标x和y的可以使用以下方法获得。

表2给出了计算为300。

IV.CASCADED多电平逆变器控制脉冲生成方案

选通脉冲生成方案的仿真软件模型级联多电平逆变器(CMLI)是图5所示。模型的输出模型是图6所示。该计划从正弦信号直流水平而不同。峰值的正弦信号值是1。在两层CMLI直流水平相比+ 0.5和-0.5所示图5 (constant1和constant2)。第一个正弦信号分为两个部分一个部分由正半周和负半周的另一部分由。这是通过比较恒定值的正弦信号0.1和-0.1(这个值是为了避免拍摄通过断层)。从而获得信号的控制信号是场效应管的桥inverter-1无花果。1,这个信号是命名为G11G12和G13G14见图6。如果相比正弦信号位于水平0.1和0.5之间获得信号与信号G11G12接着说,G13G14分别获得闸门信号G22和G24如图6所示。

在九级CMLI常量的数量水平三水平划分为0.25,0.5和0.75,上面讨论的方案一样外推5级CMLI和下面的选通脉冲图7所示。

上面选通脉冲应用于盖茨mosfet的九级CMLI如图8所示,模拟结果的九个级别CMLI输出电压波形图9所示。

诉FPGA实现ANDRESULTS

门信号生成方案,第三部分讨论了由比较正弦信号和不同的恒定的水平。在九级CMLI水平0.25,分别为0.5和0.75。在传统方法中这是通过比较不同直流正弦波与水平,这是通过比较器电路。摘要数字被认为是通过使用FPGA实现。所需的正弦值是计算在第二部分讨论和选通脉冲生成按第三章讨论的方案。使用FPGA器件的家庭是斯巴达- 2和目标设备xc2s100 4 mhz时钟速度。使用的编程语言是VERILOG并使用MODELSIM仿真。图10显示MODELSIM仿真结果的控制脉冲产生九CMLI水平。图11显示了端口销FPGA和阴极射线示波器捕获的输出。见图11的FPGA作为最终的输出CRO匹配与MATLAB的仿真结果见图7。 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

基于CORDIC门脉冲生成方案九级CMLI讨论。CORDIC是一个通用的算法,用于应用程序,如数字signalprocessing digitalimageprocessing,通信,roboticsandgraphics。摘要CORDIC算法成功地实现为CMLI控制脉冲的一代。最重要的特征是,查找表不是用于存储的正弦值而不是正弦值计算所需的瞬间的时间。这种方法的主要优势是,正弦值从而计算精度高,可以提供更好的性能对EMI的观点。这个方法也给更好的设备利用率为以来表III CORDIC只使用换档器和蛇而不是乘数。

引用

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J.S.二人沃尔特,¢统一算法为基本功能,:春天的诉讼。联合计算机会议上,379 - 385年,1971页。
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