1  引言

　　近年来，多电平变换器成为电力电子研究的热点之一，它主要面向中压大功率的应用场合。目前，有三种基本的多电平变换器拓扑结构[1]：①二极管箝位型；②飞跨电容型；③级联型。

　　几种拓扑结构各有其优缺点，但相对而言，级联型多电平变频器具有更独特的优点，它的结构如图1所示。它无需箝位二极管和电容，易于封装，不存在电容电压平衡问题。

　　图1 三相五电平变频器结构图

　　随着多电平技术的发展，开关数量急剧增加。对于超过三电平的电路结构，现有的嵌入式处理器本身提供的PWM通道显然不够用，而CPLD具有I/O口多、设计灵活、规模大和速度快的优点，为此本文采用DSP+CPLD方式，设计了多电平变换器用脉冲发生器实现方案。

　　2  载波移相SPWM技术

　　在数字化实现中，载波移相法一般不是由一个调制波和一组经过相移的载波比较生成，而是由调制波和一个载波进行比较之后，再进行一定的延时得到各个功率单元的SPWM控制信号。所谓移相式PWM技术就是将调制波和载波的频率固定不变，调制波的相位也保持恒定，而只调整载波的相位，从而产生SPWM信号。将不同载波相位下的SPWM信号进行线性组合，达到消除谐波、提高输出功率的目的。可以证明，当相移时（α为同相的各单元的载波的移相角度，N 为级联单元个数）[2],输出谐波频率增大到 2N 倍，更易于滤除。对于三相五电平变频器，N=2,所以同相级联两单元的载波相差90度。如图2所示，其中A11与A14载波互差180度，A11与A21的载波互差90度，而A21与A24的载波互差180度。A1与A2串联后的输出电压：

　　图2三相五电平变频器的A相

　　由（1）式可知UA不再包含2F±1次以下的谐波，仅包含2F±1以上的谐波。而当级联数为N时，则NF±1以下的谐波均被滤去。

　　3  基于CPLD的三相五电平变频器PWM脉冲发生器的原理

　　一个DSP只能产生12路PWM脉冲，而三相五电平变频器需24路PWM脉冲，而用双DSP输出24路时存在同时性的问题，因而用复杂可编程逻辑器件CPLD来实现。当前，复杂可编程逻辑器件CPLD在现代数字电路设计中已成为不可或缺的器件，CPLD内部包含的逻辑门数从几百至几万，具有可任意配置的几百个寄存器和I/O口，并且开发周期短可灵活配置实现多种功能而无需改动硬件电路。

　　如图3为DSP与CPLD构成的PWM脉冲发生器的控制框图。

　　图3 DSP与CPLD的控制框图

　　CPLD接入DSP的时钟CLK,以实现时钟一致，dt0,dt1,dt2,dt3为DSP的四根地址线，用来选通CPLD中十二路PWM脉冲发生器的一路，int为中断信号，每隔四分之一个载波周期Tc发，we为DSP的写信号，只有当we与csn（n=1～12）同时为低电平时Data才能写入影子寄存器，其中csn为四根地址线译码后的输出，如图4所示。

　　图4 PWM发生器原理图

　　显然，同一相的八个开关管只需四路载波，而处于三相同一位置的开关管其载波相同，故可共用一个基准计数器。下面就图4介绍PWM发生器的原理。图4中的基准计数器为一加减计数器，其计数总值为一个载波周期TC,而比较寄存器中为脉宽值，当基准计数器计数的值与比较寄存器相等时，比较器输出产生电平翻转，每当基准计数器计数到零时，产生一个使能信号把影子寄存器中的脉宽值送入比较寄存器。由比较器输出的原始PWM波经死区发生器后产生上下桥臂互补的两路PWM波。

　　4  VerilogHDL设计与仿真

　　根据图4的原理图，应用VerilogHDL硬件描述语言进行设计。本文选用Altera公司的EPF10K30A系列的CPLD,通过MAX+PLUSⅡ软件仿真，图5所示为A相8路PWM驱动信号。波型表明，同一桥臂上下两路信号在逻辑上满足互补关系，并有一定的死区时间，实现“先断后通”，不同桥臂之间的相位正确。

　　图5 A相PWM仿真波形图

　　图6为根据上述原理，利用MATLAB/SIMULINK仿真的相电压五电平波形，其中调制比为0.9,载波比为32。

　　图6 相电压五电平仿真波形

　　5  结束语

　　级联型多电平变频器其PWM驱动信号很难由单一的DSP或单片机完成。本文设计的由DSP与CPLD构成的PWM脉冲发生器较好的解决了这一问题，在级联型多电平变频器中有比较好的应用前景。相信该技术会在各领域上得到广泛地应用。

　　关于DSP

　　数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　关于CPLD

　　CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。