CN104133166A - 一种大功率任意波发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率任意波发生装置及方法，采用DDS技术实现高精度程控功能，在利用FPGA实现DDS的基础上实现了任意波形发生功能。满足了宽禁带半导体功率器件测试不仅要求功率大、精度高，而且要求输出范围宽，波形可任意程控等功能指标，而且达到了极高的输出精度和灵活的输出波形控制，可满足宽禁带半导体功率器件的多种复杂测试需求，最终有效保证了宽禁带半导体功率器件在高电压、大电流、大功率以及任意波形条件下的测试需求。通过实际测试，取得了比较理想的结果，完全符合发明设计要求。

Description

一种大功率任意波发生装置及方法

技术领域

本发明涉及任意波发生领域，具体是一种大功率任意波发生装置及方法。

背景技术

由于Si功率器件受其发展的极限，尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性，因此开发研制宽禁带半导体器件已越来越被人们所关注。所谓宽禁带半导体(WBG)主要是指禁带宽度大于2.2电子伏特的半导体材料,包括SiC、GaN以及其他一些化合物半导体材料。这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率,因此他们比Si及GaAs更适合于制作高温、高频及高功率器件。由此，宽禁带功率半导体器件的工作特性及功率测试就显得尤为重要，势必需要产生一系列高精度大功率任意波对其进行性能指标测试。

目前，产生任意波形的方法有多种：标准波形库、图像编辑、数据传输、数据表修改、FFT编辑器、公式编辑器等。它们都是以D/A变换器为核心的,由时钟电路、存储器电路、控制逻辑、滤波放大器等环节组成的,将具有幅度量化特征和时间抽样特点的离散数据组按顺序发出,生成模拟信号波形的一种数字化模拟信号发生装置；其技术内涵和实质是使用离散的数字化方式产生连续的模拟信号波形；用有限个量值状态及其阶跃过渡过程描述具有无限个量值状态的信号波形。这些任意波发生器均适用于小功率信号层面，对于宽禁带功率半导体器件所需要的大功率任意波形发生技术却少有记录，而基于DDS(直接数字合成)技术的高精度大功率任意波形发生技术更是无从查找。

发明内容

本发明的目的是提供一种大功率任意波发生装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种大功率任意波发生装置，其特征在于：包括DSP控制系统、接入任意波形发生器、正弦脉宽调制电路、AC/DC、DC/AC、高频滤波电路、反馈取样电路、A/D转换器、误差放大电路，所述AC/DC输出端与DC/AC输入端连接，DC/AC输出端与高频滤波电路输入端连接，高频滤波电路输出端输出交流信号，高频滤波电路输出端还与反馈取样电路输入端连接，反馈取样电路输出端通过A/D转换器与DSP控制系统连接，所述任意波形发生器输入端接入DSP控制系统，任意波形发生器输出端接入误差放大电路一个输入端，反馈取样电路输出端接入误差放大电路另一个输入端，误差放大电路输出端与正弦脉宽调制电路输入端连接，正弦脉宽调制电路输出端与DC/AC电路输入端连接；

所述任意波形发生器包括相位累加器、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器，其中相位累加器输入端与DSP控制系统连接，相位累加器输出端与波形存储器输入端连接，波形存储器输出端与D/A转换器输入端连接，D/A转换器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与误差放大电路输入端连接。

所述的一种大功率任意波发生方法，其特征在于：采用DDS方案，利用FPGA技术从相位角度出发来实现频率合成，将一系列数字信号通过D/A转换成模拟信号的合成技术，根据采样定理，通过查表法产生任意波形，实现任意波形发生器功能。再以任意波形发生器的输出为参考基准进行正弦脉宽调制，基于等效面积原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通过控制逆变电路中开关器件的通断，获得恒幅值的高频调制波形，经高频滤波后，得到需要的输出波形，完成信号的功率放大。这样，利用任意波形发生器，改变调制信号的频率和幅度，可实现输出的精确调节。

本发明在宽禁带功率半导体器件的功率特性测试中，采用了一种独特的大功率任意波形发生技术，即基于DDS技术的高精度大功率任意波形发生技术，该技术构思巧妙，电路可靠实用。基本思路如下：采用DDS方案，利用FPGA技术从相位角度出发来实现频率合成，将一系列数字信号通过D/A转换成模拟信号的合成技术，根据采样定理，通过查表法产生任意波形；再以任意波形发生器的输出为参考基准进行正弦脉宽调制，基于等效面积原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通过控制逆变电路中开关器件的通断，获得恒幅值的高频调制波形，经高频滤波后，得到需要的输出波形，完成信号的功率放大。这样，利用任意波形发生器，改变调制信号的频率和幅度，可实现输出的精确调节。

这种控制的特点是：采用了DDS(直接数字合成)技术设计任意波形发生器，使输出具有极高的频率分辨率和快速输出转换能力，同时，使用FPGA器件设计DDS通道，可以实现信号波形的多样化，而且方便可靠，简单经济，系统易于扩展。由于DDS系统主要由数字电路组成，因此采用FPGA芯片设计所有数字电路。

本发明的有益效果是：采用先进的DDS技术，具有输出精度高、波形输出灵活等特性，利用EDA设计方法，将实现任意波形的DDS核心部分集成在FPGA芯片内，大大简化了电路，降低了成本，提高了可靠性。采用正弦调制，实现了输出功率大、谐波含量低等功能。从而较好地实现了宽禁带功率半导体器件的功率特性测试对高精度大功率任意波形的需求。

附图说明

图1为本发明结构原理框图。

图2为本发明任意波形发生器电路原理框图。

图3为本发明幅度调节电路原理框图。

图4为本发明跟踪法SPWM信号生成电路原理框图。

图5为本发明陷波器电路图。

图6为本发明具体实施方式中正弦电压输出波形图，其中：

图6a为50Hz100V输出波形图，图6b为1kHz100V输出波形图。

图7为本发明具体实施方式中动态变化时波形图，其中：

图7a为幅度、频率递增变化输出电压波形图，图7b为幅度、频率交替变化输出电压波形图。

图8为本发明具体实施方式中正弦波叠加谐波后输出电压波形图。

具体实施方式

如图1所示，一种大功率任意波发生装置，包括DSP控制系统、接入任意波形发生器、正弦脉宽调制电路、AC/DC、DC/AC、高频滤波电路、反馈取样电路、A/D转换器、误差放大电路，所述AC/DC输出端与DC/AC输入端连接，DC/AC输出端与高频滤波电路输入端连接，高频滤波电路输出端输出交流信号，高频滤波电路输出端还与反馈取样电路输入端连接，反馈取样电路输出端通过A/D转换器与DSP控制系统连接，所述任意波形发生器输入端接入DSP控制系统，任意波形发生器输出端接入误差放大电路的一个输入端，反馈取样电路还有输出端接入误差放大电路另一个输入端，误差放大电路输出端与正弦脉宽调制电路一个输入端连接，正弦脉宽调制电路输出端与DC/AC电路输入端连接；

如图2所示，任意波形发生器包括相位累加器、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器，其中相位累加器输入端与DSP控制系统连接，相位累加器输出端与波形存储器输入端连接，波形存储器输出端与D/A转换器一个输入端连接，D/A转换器另一个输入端与DSP控制系统连接，D/A转换器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与误差放大电路输入端连接。

一种大功率任意波发生方法，采用DDS方案，利用FPGA技术从相位角度出发来实现频率合成，将一系列数字信号通过D/A转换成模拟信号的合成技术，根据采样定理，通过查表法产生任意波形，实现任意波形发生器功能。再以任意波形发生器的输出为参考基准，进行正弦脉宽调制，基于等效面积原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通过控制逆变电路中开关器件的通断，获得恒幅值的高频调制波形，经高频滤波后，得到需要的输出波形，完成信号的功率放大。这样，利用任意波形发生器，改变调制信号的频率和幅度，可实现输出的精确调节。

如图1所示，本发明包括任意波形发生器、DSP控制系统、人机交互界面、信号功率放大电路等部分。由于输出功率较大，为减小体积、提高效率，功率放大电路采用开关方式,主要由AC/DC、DC/AC、高频滤波、正弦脉宽调制、反馈取样、误差放大等电路组成。为提高电压输出精度，电路结构上选用高频链形式。采用两级变换，考虑到输出电压和功率的设计要求，前后级均采用全桥拓扑。前级AC/DC使用高频变压器进行输入与输出的电气隔离，取消了低频逆变技术中体积庞大的工频变压器，可大幅提高效率及功率密度，同时，控制电路取样输出电压进行闭环控制，可得到稳定的直流输出，有效消除了输入电压及负载变动造成的输出调整问题，极大的提高了电压的输出精度。后级DC/AC采用正弦脉宽调制(SPWM)技术，以任意波形发生器的输出为参考基准，基于等效面积原理，生成所需波形的等效PWM波。通过控制逆变电路中开关器件的通断，获得恒幅值的高频调制波形，经高频滤波后，得到需要的输出波形，完成信号的功率放大。这样，利用任意波形发生器，改变调制信号的频率、幅度和相位，可实现输出的精确调节。

DSP控制系统通过通用异步收发电路(UART)实现人机交互界面功能。DSP系统接收GPIB接口或键盘的指令，将幅值、频率、相位等信息处理后，送入任意波形发生器，生成参考信号，作为基准电压，与反馈取样信号进行误差放大，经正弦脉宽调制电路，生成SPWM信号，控制波形输出，完成信号的功率放大。而实际输出的幅值、频率、相位等参数由反馈取样电路标定后，经A/D转换，由DSP系统回送人机交互界面，实现信息实时显示。

一、任意波形发生器设计：

如图2所示，任意波形发生器采用DDS方式设计，其主通道由以下几个部分组成，第一部分是频率控制字k的接收电路，由DSP送来的32位频率控制字经锁存器送到相位累加器。第二部分是相位初始控制字A的接收电路，其原理和频率控制字k的接收电路相同。第三部分是相位累加器电路，这是整个DDS电路的核心，它的精度和速度影响整个通道的性能。相位累加器接收DSP发送的32位频率控制字k，相位初始控制字A，在时钟脉冲的作用下，以相位初始控制字A为起点，连续进行k值相加，生成有规律的32位相位地址码，输出锁存器把每个相位地址码锁存，取其中高18位寻址波形存储器。在相位舍位条件下，由于相位累加器的输出为周期序列，易产生有规律的杂散噪声。为此，采用抖动注入技术，用14位的随机数与要舍去的低14位相加后，再去寻址波形存储器，这样就破坏了寻址序列的周期性，将有规律杂散分量变成随机的相位噪声，从而有效消除相位舍位引起的杂散噪声。第四部分是幅度控制字U的接受、D/A转换和滤波电路。DSP将12位的幅度控制字U送入相应锁存器，与波形存储器中的数据一起送入D/A，经低通滤波器得到所需模拟信号。

由于DDS系统主要由数字电路组成，因此采用FPGA芯片设计所有数字电路。设计中采用SCH电原理图和VHDL硬件描述语言相结合来实现整个电路设计，电原理图在时序调整及简单电路方面有其灵活机动的特点，VHDL不仅利于设计文档的管理而且方便设计的修改和扩充以及在不同工程之间的移植。主要电路参数设计如下：

1.频率可调设计

DDS系统采用5.5MHz晶振，经128分频后产生42.96875kHZ参考时钟，因此，最小频率分辨率为42.96875kHZ/2³²＝10μHz，要得到45Hz至1kHz步进10μHz的频率，则k值相应取值为：45Hz时，k＝45Hz/10μHz＝4.5×10⁶；1kHz时，k＝1kHz/10μHz＝1×10⁸。因此，k值取范围为4.5×10⁶至1×10⁸。

2.相位可调设计

相位累加器是32位的，理论上相位分辨率可达到(1/2³²)×360°＝8.38×10^-8(度)。为实现相位分辨率为0.1°。则初始相位控制字为0.1/(8.38×10^-8)＝1193046。依次要得到初始相位为0-359.9°，则初始相位值设定为1193046的0至3599倍。把1193046以二进制形式存储于程序存储器中，当接收到相位设定值时，先把设定值乘以1193046，再转换为相位初始控制字。

3.幅度可调设计

在幅度调节设计中采用了双D/A的设计方法，如图3所示。波形D/A为DAC1，幅度D/A为DAC2，DAC1用于把波形数据转换成模拟量，DAC2用于输出信号的幅度调节。

波形D/A的参考电压由幅度D/A提供。由于波形D/A输出的模拟量V_OUT1＝KV_ref1，D/A转换器输出电压的幅值取决于参考电压，因此可利用对参考电压的控制来实现幅度的调节，即输出波形的幅度调节由调节幅度D/A的输出电压来实现。

设计中幅度D/A选用12位，参考电压取5V。D₂是幅度D/A的输入数据，在控制信号控制下，通过数据总线加载幅度控制数据；D₁是波形D/A的输入数据。由此可得：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{1}{2^N}\left(\frac{V_R}{2^N}{D}_2\right)D_1$

式中，V_R＝5V，N＝12，程序通过查表把数据D₁读到幅度基准寄存器，可获得幅度范围0-5V。

由于12位波形D/A输出的幅度范围是5V，因此，经反馈及变换电路后的幅度范围是0-300V，分辨率为73mV。

二、功率逆变电路设计

功率逆变电路采用正弦调制(SPWM)方式实现DC/AC转换。由于SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波。因此，提高开关频率可以消除逆变器的低频谐波，减小谐波损耗，但开关频率过高，会使逆变器的开关损耗及电磁干扰大幅增加，同时给DSP的运算及D/A转换带来压力，此外，死区时间在理想脉宽中所占的比例过大也会对调制度造成不利影响。因此，从开关器件的损耗、谐波失真度之间折中，选取开关频率为80kHz。由于单极性调制产生的波形失真较大，我们采用双极性调制技术获得SPWM波。电路中全桥的4个功率管都工作在较高的载波频率，同一桥臂的两个功率管互补导通，可得到较为理想输出波形。

为降低调制复杂程度，我们采用异步方式SPWM技术实现DC/AC频率输出的精密控制，保持调制频率(即开关频率)f_s固定不变，通过改变载波比N完成输出频率f_o的变化。由于电源最高输出频率只有1kHz,所以N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小。

设计中采用电压跟踪控制方法生成SPWM波形，可实现高精度输出。该方法具有高频滤波器设计简便，输出谐波小的优点，其产生的误差在工程上可以忽略不计。工作原理如下：采用闭环控制,把希望输出的波形作为指令信号V^*，把实际波形作为反馈信号V，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。在比较控制过程中，如V<V*，则在下一个开关周期中将功率开关占空比增大，使V增大；如V>V*，则降低占空比，使V减小。这样，对每个开关周期的控制作用都是使实际电压与指令电压的误差减小，只要载波比N足够大，即可保证电压跟踪控制精度。具体实现电路如图4，把指令电压V^*和实际输出电压V进行比较，求出偏差，经放大器A1放大后，再和斜波(或三角波)进行比较，产生SPWM波形。为确保电路的良好跟踪特性，A1选用具有比例积分特性或比例特性的放大器。

考虑到功率器件的开通和关断都需要时间，为防止上下臂直通造成短路，需设置一定的死区时间。因此，放大器A输出信号的幅值不能超过斜波幅值，实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断时间，调制度M取为0.85。因最大输出电压有效值为300V，故前级电压输出应为：

功率逆变电路关键参数设计过程如下：

1.输出滤波器的设计

a)滤波电感：最大纹波电流取满功率输出正弦电流峰值的30％，即

$\mathrm{\&Delta;}{I1}_{\max }=0.3\&times;\sqrt{2}\&times;\frac{S}{V_o}=1.05A;$

而纹波电流 $\mathrm{\&Delta;I}=\frac{V_i-V_o}{L}\&times;\frac{D}{f_s}=\frac{(V_i-V_o)V_o}{{\mathrm{LV}}_i}.$

式中V_i为前级输出电压，D为占空比，f_s为开关频率

由上式可知，当V_o＝0.5V_i时，纹波电流最大，故有

$\mathrm{\&Delta;}{I}_{\max }=\frac{V_i}{4L{f}_s},$

所以 $L\&GreaterEqual;\frac{V_i}{4\mathrm{\&Delta;}{I}_{\max }{f}_s}=1.49\mathrm{mH},$ 取1.5mH。

b)滤波电容：滤波电感和滤波电容一起构成低通滤波器，SPWM方式下，为滤除高频谐波成分，取滤波器截至频率为开关频率的1/10，即

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}=\frac{2\mathrm{\&pi;}{f}_s}{10},$

因此       $C\&GreaterEqual;\frac{25}{{\mathrm{\&pi;}}^2{f_s}^{2}L}=0.26\mathrm{\&mu;E}$

为消除器件非理想特性及死区等影响，设计中电容取值为0.47μF。

2.陷波器的设计

为进一步降低谐波失真，在输出滤波器后侧设置了两级陷波器电路，如图5所示。

其中，L1与C1构成第一级陷波器，用于滤除开关频率噪声，谐振频率取为开关频率(80kHz)，取C1为2μF，则L2与C2构成第二级陷波器，滤除开关频率二倍频噪声。谐振频率取为160kHz，取C2为2μF，则 $L2={\left(\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{f}_s}\right)}^2*\frac{1}{C1}=500\mathrm{nH}.$

本发明的实验测试结果如下，频率范围：45Hz～1kHz，频率分辨率为10μHz。几种典型状态下的测试波形如图6～8。图6是满载情况下正弦电压为100V，频率分别为50Hz和100Hz的输出波形，其谐波失真度(THD)均小于0.25％；图7为输出动态变化时的电压波形，其中图7(a)是输出从100Hz/20V逐渐向250Hz/50V变化的波形图，图7(b)是输出在100Hz/60V和200Hz/30V之间交替变化的波形图，由图可见输出的幅度和相位具有良好的连续性；图8是非标准输出的波形图，图中所示波形为正弦波形叠加三次谐波后的合成波形，其中三次谐波含量设为50％，由此可见波形输出的任意程度较高。

Claims (2)

1.一种大功率任意波发生装置，其特征在于：包括DSP控制系统、接入任意波形发生器、正弦脉宽调制电路、AC/DC、DC/AC、高频滤波电路、反馈取样电路、A/D转换器、误差放大电路，所述AC/DC输出端与DC/AC输入端连接，DC/AC输出端与高频滤波电路输入端连接，高频滤波电路输出端输出交流信号，高频滤波电路输出端还与反馈取样电路输入端连接，反馈取样电路输出端通过A/D转换器与DSP控制系统连接，所述任意波形发生器输入端接入DSP控制系统，任意波形发生器输出端接入误差放大电路一个输入端，反馈取样电路还有输出端接入误差放大电路另一个输入端，误差放大电路输出端与正弦脉宽调制电路输入端连接，正弦脉宽调制电路输出端与DC/AC电路输入端连接；

所述任意波形发生器包括相位累加器、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器，其中相位累加器输入端与DSP控制系统连接，相位累加器输出端与波形存储器输入端连接，波形存储器输出端与D/A转换器输入端连接，D/A转换器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与误差放大电路输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种大功率任意波发生方法，其特征在于：采用DDS（直接数字频率合成）方法，利用FPGA技术从相位角度出发来实现频率合成，将一系列数字信号通过D/A转换成模拟信号的合成技术，根据采样定理，通过查表法产生任意波形实现任意波形发生器功能；再以任意波形发生器的输出为参考基准，基于等效面积原理，生成所需波形的等效PWM波，然后通过控制逆变电路中开关器件的通断，获得恒幅值的高频调制波形，经高频滤波后，得到需要的输出波形，完成信号的功率放大；这样，利用任意波形发生器，改变调制信号的频率和幅度，可实现输出的精确调节。