Kapu meghajtó áramkör háromfázisú inverterhez: 9 lépés

2025 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2025-01-23 14:48

Ez a projekt alapvetően a SemiTeach nevű berendezés meghajtó áramköre, amelyet nemrég vettünk az osztályunknak. Megjelenik a készülék képe.

Ha ezt a meghajtóáramkört 6 mosfethez csatlakoztatja, három 120 fokkal eltolt AC feszültséget generál. A SemiTeach eszköz hatótávolsága 600 V. A készülék beépített hibakimeneti terminálokkal is rendelkezik, amelyek alacsony állapotot adnak, amikor a három fázis bármelyikén hibát észlelnek

Az invertereket az energiaiparban általában használják sok generációs forrás egyenfeszültségének váltására váltakozó feszültséggé a hatékony átvitel és elosztás érdekében. Ezenkívül energiát nyernek a szünetmentes tápegységből (UPS). Az invertereknek egy kapu meghajtó áramkörre van szükségük az átalakításhoz használt áramkörben használt Power Electronics kapcsolók meghajtásához. Sokféle kapujel alkalmazható. A következő jelentés egy 180 fázisú vezetést alkalmazó háromfázisú inverter kapuhajtó áramkörének tervezését és megvalósítását tárgyalja. Ez a jelentés a Gate Driver Circuit tervezésére összpontosít, amelyben a teljes tervezési részletek szerepelnek. Ezenkívül ez a projekt magában foglalja a mikrokontroller és az áramkör védelmét a hibaállapotok során. Az áramkör kimenete 6 PWM a háromfázisú inverter 3 lábához.

1. lépés: Irodalmi áttekintés

Az energiaipar számos alkalmazása megköveteli az egyenáramú feszültség átalakítását váltakozó feszültséggé, például a napelemek csatlakoztatását a nemzeti hálózathoz vagy hálózati eszközök áramellátásához. Ezt az egyenáramú áramot AC -vé alakítják inverterek segítségével. A tápellátás típusa alapján kétféle inverter létezik: egyfázisú inverter és háromfázisú inverter. Az egyfázisú inverter bemenetként veszi az egyenfeszültséget, és egyfázisú váltakozó feszültségre alakítja, míg a háromfázisú inverter átalakítja az egyenfeszültséget háromfázisú váltakozó feszültséggé.

1.1. Ábra: Háromfázisú inverter

Egy háromfázisú inverter 6 tranzisztoros kapcsolót alkalmaz, ahogyan azt a fenti ábra mutatja, amelyeket PWM jelek hajtanak a kapu meghajtó áramkörök segítségével.

A frekvenciaváltó Gating-jeleinek fáziskülönbségének 120 fokosnak kell lennie egymáshoz képest, hogy háromfázisú kiegyensúlyozott kimenetet kapjon. Ennek az áramkörnek a futtatásához kétféle vezérlőjel alkalmazható

• 180 fokos vezetés

• 120 fokos vezetés

180 fokos vezetési mód

Ebben az üzemmódban minden tranzisztor 180 fokkal be van kapcsolva. És bármikor három tranzisztor marad bekapcsolva, egy tranzisztor minden ágban. Egy ciklusban hat üzemmód van, és mindegyik üzemmód a ciklus 60 fokán működik. A kapujeleket 60 fokos fáziskülönbség eltolja egymástól, hogy háromfázisú kiegyensúlyozott ellátást kapjon.

1.2. Ábra: 180 fokos konduktó

120 fokos vezetési mód

Ebben az üzemmódban minden tranzisztor 120 fokkal be van kapcsolva. És bármikor csak két tranzisztor vezet. Meg kell jegyezni, hogy bármikor, minden ágban csak egy tranzisztornak kell bekapcsolnia. A PWM jelek között 60 fokos fáziskülönbségnek kell lennie, hogy kiegyensúlyozott legyen a háromfázisú váltakozó áramú kimenet.

1.3. Ábra: 120 fokos vezetés

Holtidő -szabályozás

Az egyik nagyon fontos óvintézkedés, hogy az egyik lábon mindkét tranzisztor ne legyen egyszerre bekapcsolva, különben az egyenáramú forrás rövidre zár és az áramkör megsérül. Ezért nagyon fontos, hogy az egyik tranzisztor kikapcsolása és a másik tranzisztor bekapcsolása között nagyon rövid időintervallumot adjunk.

2. lépés: Blokkdiagram

3. lépés: Alkatrészek

Ebben a részben a tervezés részleteit mutatjuk be és elemezzük.

Komponenslista

• Optocsatoló 4n35

• IR2110 illesztőprogram IC

• 2N3904 tranzisztor

• Dióda (UF4007)

• Zener diódák

• Relé 5V

• ÉS kapu 7408

• ATiny85

Optocsatoló

A 4n35 optocsatolót a mikrokontrollernek az áramkör többi részétől való optikai leválasztására használták. A kiválasztott ellenállás a következő képlet alapján történik:

Ellenállás = LedVoltage/CurrentRating

Ellenállás = 1,35V/13,5mA

Ellenállás = 100 ohm

A lehúzási ellenállásként működő kimeneti ellenállás 10 k ohm a megfelelő feszültségfejlesztés érdekében.

IR 2110

Ez egy kapuhajtó IC, amelyet általában a MOSFET -ek meghajtására használnak. Ez egy 500 V -os magas és alacsony oldali meghajtó IC, tipikus 2,5 A forrással és 2,5 A mosogatóárammal 14 ólomcsomagoló IC -ben.

Bootstrap kondenzátor

A vezérlő IC legfontosabb eleme a bootstrap kondenzátor. A bootstrap kondenzátornak képesnek kell lennie erre a töltésre, és meg kell őriznie teljes feszültségét, különben jelentős mennyiségű hullámzás lesz a Vbs feszültségen, amely a Vbsuv alulfeszültség -lezárás alá eshet, és a HO kimenet működésének leállását okozhatja. Ezért a Cbs kondenzátor töltésének legalább a kétszeresének kell lennie a fenti értéknek. A kondenzátor minimális értéke az alábbi egyenletből számítható ki.

C = 2 [(2Qg + Iqbs/f + Qls + Icbs (szivárgás)/f)/(Vcc − Vf −Vls − Vmin)]

Hol, mint

Vf = Előremenő feszültségesés a rendszerindító diódán

VLS = Feszültségcsökkenés az alacsony oldali FET -en (vagy terhelés magas oldali meghajtó esetén)

VMin = VB és VS közötti minimális feszültség

Qg = magas oldali FET kapu töltése

F = Működési gyakoriság

Icbs (szivárgás) = Bootstrap kondenzátor szivárgási áram

Qls = szinteltolásos töltés szükséges ciklusonként

47uF értéket választottunk.

2N3904 tranzisztor

A 2N3904 egy általános NPN bipoláris csomópont tranzisztor, amelyet általános célú, kis teljesítményű erősítő vagy kapcsoló alkalmazásokhoz használnak. Erősítőként használva 200 mA áramot (abszolút maximum) és 100 MHz -es frekvenciát képes kezelni.

Dióda (UF4007)

Nagy ellenállású I típusú félvezetőt használnak, hogy lényegesen alacsonyabb diódakapacitást (Ct) biztosítsanak. Ennek eredményeképpen a PIN diódák változó ellenállásként működnek előreirányú előfeszítéssel, és kondenzátorként viselkednek fordított előfeszítéssel. A nagyfrekvenciás jellemzők (az alacsony kapacitás biztosítja a jelvonalak minimális hatását) alkalmassá teszik őket változó ellenállású elemekként történő felhasználásra a legkülönfélébb alkalmazásokban, beleértve a csillapítókat, a nagyfrekvenciás jelkapcsolást (azaz az antennát igénylő mobiltelefonokat) és az AGC áramköröket.

Zener dióda

A Zener dióda egy speciális típusú dióda, amely a normál diódától eltérően nemcsak az anódjától a katódjáig, hanem a Zener feszültség elérésekor fordított irányban is áramolni enged. Feszültségszabályozóként használják. A Zener diódák erősen adalékolt p-n csomóponttal rendelkeznek. A normál diódák fordított feszültség mellett is lebomlanak, de a térd feszültsége és élessége nincs olyan jól meghatározva, mint egy Zener dióda esetében. Szintén a normál diódákat nem a meghibásodási tartományban való működésre tervezték, de a Zener diódák megbízhatóan működhetnek ezen a területen.

Relé

A relék olyan kapcsolók, amelyek elektromechanikusan vagy elektronikusan nyitják és zárják az áramköröket. A relék egy másik áramkörben lévő érintkezők nyitásával és zárásával vezérlik az egyik elektromos áramkört. Ha egy reléérintkező normál esetben nyitva van (NO), akkor van egy nyitott érintkező, amikor a relé nincs feszültség alatt. Ha a reléérintkező normálisan zárt (NC), akkor van egy zárt érintkező, amikor a relé nincs feszültség alatt. Mindkét esetben az elektromos áramnak az érintkezőkre történő átvitele megváltoztatja az állapotukat

ÉS KAPU 7408

A Logic AND Gate egy olyan típusú digitális logikai kapu, amelynek kimenete HIGH 1 logikai szintre megy, ha minden bemenete HIGH

ATiny85

Ez egy kis teljesítményű, 8 bites AVR RISC alapú mikrochipes mikrovezérlő, amely 8KB ISP vaku memóriát, 512B EEPROM, 512 bájtos SRAM-ot, 6 általános célú I/O vonalat, 32 általános célú munkaregisztert, egy 8 bites időzítőt/számlálót kombinál. összehasonlító módokkal, egy 8 bites nagy sebességű időzítő/számláló, USI, belső és külső megszakítások, 4 csatornás 10 bites A/D konverter.

4. lépés: A munka és az áramkör magyarázata

Ebben a részben részletesen ismertetjük az áramkör működését.

PWM generáció

A PWM az STM mikrokontrollerből jött létre. A TIM3, TIM4 és TIM5 három, 50 százalékos teljesítményciklusú PWM előállítására használták. A 60 fokos fáziseltolást beépítettük három PWM közé időkésleltetéssel. 50 Hz -es PWM jel esetén a késleltetés kiszámításához a következő módszert alkalmazták

késleltetés = Időtartam ∗ 60/360

késleltetés = 20 ms ∗ 60/360

késleltetés = 3,3 ms

Mikrokontroller leválasztása optocsatoló segítségével

A mikrokontroller és az áramkör többi része közötti leválasztás a 4n35 optocsatoló segítségével történt. A 4n35 szigetelési feszültsége körülbelül 5000 V. A mikrovezérlő védelmét szolgálják a fordított áramok ellen. Mivel a mikrokontroller nem képes elviselni a negatív feszültséget, ezért a mikrokontroller védelmére optocsatolót használnak.

A Gate Driving CircuitIR2110 illesztőprogram IC -t arra használták, hogy PWM -eket kapcsoljanak a MOSFET -ekhez. A mikrovezérlő PWM -eit az IC bemenetén biztosítottuk. Mivel az IR2110 nem rendelkezik beépített NOT kapuval, ezért a BJT -t inverterként használják a Lin csaphoz. Ezután megadja a kiegészítő PWM -eket a hajtandó MOSFET -eknek

Hibaészlelés

A SemiTeach modul 3 hibatüskével rendelkezik, amelyek normál esetben HIGH 15 V -nál. Ha az áramkörben hiba lép fel, az egyik csap LOW szintre lép. Az áramkör alkotóelemeinek védelme érdekében az áramkört hiba esetén meg kell szakítani. Ezt az AND Gate, az ATiny85 mikrokontroller és az 5 V -os relé segítségével valósították meg. ÉS kapu használata

Az ÉS kapu bemenete 3 hibatű, amelyek normál állapotban HIGH állapotban vannak, így az AND Gate kimenete MAGAS normál körülmények között. Amint hiba történik, az egyik csap 0 V -ra megy, és ezért az AND Gate kimenete LOW lesz. Ezzel ellenőrizhető, hogy hiba van -e az áramkörben vagy sem. A Vcc -t az ÉS kapuhoz egy Zener dióda biztosítja.

A Vcc vágása az ATiny85 -n keresztül

Az ÉS kapu kimenete az ATiny85 mikrokontrollerre kerül, amely megszakítást generál, amint bármilyen hiba történik. Ez tovább hajtja a relét, amely kivágja az összes komponens Vcc -jét, kivéve az ATiny85 -öt.

5. lépés: Szimuláció

A szimulációhoz a funkció generátorból származó PWM -eket használtuk a Proteus -ban, nem pedig az STMf401 modellben, mivel ez nem érhető el a Proteus -on. A 4n35 Opto-Couplert használtuk a mikrovezérlő és az áramkör többi része közötti szigeteléshez. Az IR2103 -at a szimulációkban áramerősítőként használják, amely kiegészítő PWM -eket biztosít számunkra.

A sematikus diagram a következő:

Magas oldali kimenet Ez a kimenet a HO és a Vs között van. Az alábbi ábra a három magas oldali PWM kimenetét mutatja.

Alacsony oldali kimenet Ez a kimenet LO és COM között van. Az alábbi ábra a három magas oldali PWM kimenetét mutatja.

6. lépés: Vázlatos rajz és NYÁK -elrendezés

A Proteuson létrehozott sematikus és NYÁK -elrendezés látható

7. lépés: Hardver eredmények

Kiegészítő PWM -ek

Az alábbi ábra az IR2110 egyik kimenetét mutatja, amely komplementer

A és B fázis PWM

Az A és B fázis 60 fokkal eltolt. Az ábrán látható

A és C fázis PWM

Az A és C fázis -60 fokos fáziseltolódás. Az ábrán látható

8. lépés: Kódolás

A kódot az Atollic TrueStudio -ban fejlesztették ki. Az Atollic telepítéséhez megtekintheti korábbi oktatóanyagaimat, vagy letöltheti az internetről.

A teljes projekt hozzáadásra került.

9. lépés: Köszönöm

Hagyományomat követve szeretném megköszönni csoporttagjaimnak, akik segítettek ebben a fantasztikus projektben.

Remélem, ez az oktatóanyag segít.

Ezt aláírom:)

Üdvözlettel

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakisztán