Πώς να σχεδιάσετε και να εφαρμόσετε έναν μονοφασικό μετατροπέα: 9 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Αυτό το Instructable διερευνά τη χρήση των GreenPAK ™ CMIC της Dialog σε εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος και θα επιδείξει την εφαρμογή ενός μονοφασικού μετατροπέα χρησιμοποιώντας διάφορες μεθοδολογίες ελέγχου. Χρησιμοποιούνται διαφορετικές παράμετροι για τον προσδιορισμό της ποιότητας του μονοφασικού μετατροπέα. Μια σημαντική παράμετρος είναι η Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (THD). Το THD είναι μια μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης σε ένα σήμα και ορίζεται ως η αναλογία του αθροίσματος των δυνάμεων όλων των αρμονικών συστατικών με την ισχύ της θεμελιώδους συχνότητας.

Παρακάτω περιγράψαμε τα βήματα που απαιτούνται για να κατανοήσουμε πώς έχει προγραμματιστεί η λύση για τη δημιουργία του μονοφασικού μετατροπέα. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε τον μονοφασικό μετατροπέα.

Βήμα 1: Μονοφασικός μετατροπέας

Ένας μετατροπέας ισχύος ή μετατροπέας, είναι μια ηλεκτρονική συσκευή ή κύκλωμα που αλλάζει το συνεχές ρεύμα (DC) σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC). Ανάλογα με τον αριθμό των φάσεων της εξόδου AC, υπάρχουν διάφοροι τύποι μετατροπέων.

● Μονοφασικοί μετατροπείς

● Τριφασικοί μετατροπείς

Το DC είναι η μονοκατευθυντική ροή του ηλεκτρικού φορτίου. Εάν εφαρμοστεί μια σταθερή τάση σε ένα καθαρά αντιστατικό κύκλωμα, έχει ως αποτέλεσμα ένα σταθερό ρεύμα. Συγκριτικά, με το AC, η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος αντιστρέφει περιοδικά την πολικότητα. Η πιο τυπική κυματομορφή εναλλασσόμενου ρεύματος είναι ένα ημιτονοειδές κύμα, αλλά μπορεί επίσης να είναι ένα τριγωνικό ή τετράγωνο κύμα. Για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας με διαφορετικά ρεύματα προφίλ, απαιτούνται ειδικές συσκευές. Οι συσκευές που μετατρέπουν το AC σε DC είναι γνωστές ως ανορθωτές και οι συσκευές που μετατρέπουν το DC σε AC είναι γνωστές ως μετατροπείς.

Βήμα 2: Τοπολογίες μονοφασικού μετατροπέα

Υπάρχουν δύο κύριες τοπολογίες μονοφασικών μετατροπέων. τοπολογίες μισής γέφυρας και πλήρους γέφυρας. Αυτή η σημείωση εφαρμογής επικεντρώνεται στην τοπολογία πλήρους γέφυρας, δεδομένου ότι παρέχει διπλή τάση εξόδου σε σύγκριση με την τοπολογία μισής γέφυρας.

Βήμα 3: Τοπολογία πλήρους γέφυρας

Σε μια τοπολογία πλήρους γέφυρας χρειάζονται 4 διακόπτες, αφού η εναλλασσόμενη τάση εξόδου λαμβάνεται από τη διαφορά μεταξύ δύο κλάδων κυψελών μεταγωγής. Η τάση εξόδου λαμβάνεται με έξυπνη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των τρανζίστορ σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις ανάλογα με το ποιοι διακόπτες είναι κλειστοί. Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις καταστάσεις και την τάση εξόδου βάσει των οποίων οι διακόπτες είναι κλειστοί.

Για να μεγιστοποιηθεί η τάση εξόδου, το βασικό συστατικό της τάσης εισόδου σε κάθε κλάδο πρέπει να είναι 180º εκτός φάσης. Οι ημιαγωγοί κάθε κλάδου είναι συμπληρωματικοί σε απόδοση, δηλαδή όταν ο ένας διεξάγει ο άλλος είναι διακοπτόμενος και αντίστροφα. Αυτή η τοπολογία είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη για μετατροπείς. Το διάγραμμα στο σχήμα 1 δείχνει το κύκλωμα μιας τοπολογίας πλήρους γέφυρας για έναν μετατροπέα μονής φάσης.

Βήμα 4: Διπολικό τρανζίστορ με μονωμένη πύλη

Το διπολικό τρανζίστορ Insulated Gate (IGBT) είναι σαν ένα MOSFET με την προσθήκη ενός τρίτου PNjunction. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο της τάσης, όπως ένα MOSFET, αλλά με χαρακτηριστικά εξόδου όπως ένα BJT σχετικά με υψηλά φορτία και χαμηλή τάση κορεσμού.

Τέσσερις κύριες περιοχές μπορούν να παρατηρηθούν σχετικά με τη στατική του συμπεριφορά.

Region Περιοχή χιονοστιβάδας

Region Περιοχή κορεσμού

● Περιοχή κοπής

Ενεργός Περιοχή

Η περιοχή της χιονοστιβάδας είναι η περιοχή όπου εφαρμόζεται τάση κάτω από την τάση διάσπασης, με αποτέλεσμα την καταστροφή του IGBT. Η περιοχή κοπής περιλαμβάνει τιμές από τάση διάσπασης έως τάση κατωφλίου, όπου το IGBT δεν διεξάγεται. Στην περιοχή κορεσμού, το IGBT συμπεριφέρεται ως εξαρτώμενη πηγή τάσης και μια σειρά αντίστασης. Με χαμηλές διακυμάνσεις τάσης, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή ενίσχυση ρεύματος. Αυτή η περιοχή είναι η πιο επιθυμητή για λειτουργία. Εάν η τάση αυξηθεί, το IGBT εισέρχεται στην ενεργή περιοχή και το ρεύμα παραμένει σταθερό. Υπάρχει μια μέγιστη τάση που εφαρμόζεται για το IGBT για να διασφαλιστεί ότι δεν θα εισέλθει στην περιοχή της χιονοστιβάδας. Αυτός είναι ένας από τους πιο χρησιμοποιούμενους ημιαγωγούς στα ηλεκτρονικά ισχύος, καθώς μπορεί να υποστηρίξει ένα ευρύ φάσμα τάσεων από λίγα βολτ έως kV και ισχύ μεταξύ kW και MW.

Αυτά τα διπολικά τρανζίστορ με μονωμένη πύλη λειτουργούν ως συσκευές μεταγωγής για την τοπολογία μονοφασικού μετατροπέα πλήρους γέφυρας.

Βήμα 5: Μπλοκ διαμόρφωσης πλάτους παλμού στο GreenPAK

Το Block Pulse Width Modulation (PWM) Block είναι ένα χρήσιμο μπλοκ που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Το μπλοκ DCMP/PWM μπορεί να διαμορφωθεί ως μπλοκ PWM. Το μπλοκ PWM μπορεί να προέλθει μέσω FSM0 και FSM1. Ο ακροδέκτης PWM IN+ είναι συνδεδεμένος στο FSM0 ενώ ο ακροδέκτης IN είναι συνδεδεμένος στο FSM1. Τόσο το FSM0 όσο και το FSM1 παρέχουν δεδομένα 8-bit στο PWM Block. Η χρονική περίοδος PWM ορίζεται από τη χρονική περίοδο του FSM1. Ο κύκλος λειτουργίας για το μπλοκ PWM ελέγχεται από το FSM0.

?????? ???? ????? = ??+ / 256

Υπάρχουν δύο επιλογές για τη διαμόρφωση του κύκλου λειτουργίας:

● 0-99,6%: Το DC κυμαίνεται από 0% έως 99,6% και προσδιορίζεται ως IN+/256.

● 0,39-100%: Το DC κυμαίνεται από 0,39% έως 100% και προσδιορίζεται ως (IN + + 1)/256.

Βήμα 6: Σχεδιασμός GreenPAK για υλοποίηση τετραγωνικού κύματος με βάση το PWM

Υπάρχουν διαφορετικές μεθοδολογίες ελέγχου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή ενός μονοφασικού μετατροπέα. Μια τέτοια στρατηγική ελέγχου περιλαμβάνει ένα τετραγωνικό κύμα με βάση το PWM για τον μονοφασικό μετατροπέα.

Ένα GreenPAK CMIC χρησιμοποιείται για τη δημιουργία περιοδικών προτύπων μεταγωγής προκειμένου να μετατρέψει βολικά το DC σε AC. Οι τάσεις συνεχούς ρεύματος τροφοδοτούνται από την μπαταρία και η έξοδος που λαμβάνεται από τον μετατροπέα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή φορτίου AC. Για τους σκοπούς αυτής της εφαρμογής σημειώστε ότι η συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος έχει οριστεί στα 50Hz, μια συχνή συχνότητα οικιακής ισχύος σε πολλά μέρη του κόσμου. Αντίστοιχα, η περίοδος είναι 20ms.

Το μοτίβο μεταγωγής που πρέπει να δημιουργηθεί από το GreenPAK για SW1 και SW4 φαίνεται στο σχήμα 3.

Το μοτίβο μεταγωγής για SW2 και SW3 φαίνεται στο σχήμα 4

Τα παραπάνω μοτίβα μεταγωγής μπορούν εύκολα να παραχθούν χρησιμοποιώντας ένα μπλοκ PWM. Η χρονική περίοδος PWM ορίζεται από τη χρονική περίοδο του FSM1. Η χρονική περίοδος για το FSM1 πρέπει να οριστεί σε 20ms που αντιστοιχεί σε συχνότητα 50Hz. Ο κύκλος λειτουργίας για το μπλοκ PWM ελέγχεται από τα δεδομένα που προέρχονται από το FSM0. Προκειμένου να δημιουργηθεί ο κύκλος λειτουργίας 50%, ο μετρητής FSM0 έχει οριστεί σε 128.

Ο αντίστοιχος σχεδιασμός GreenPAK φαίνεται στο σχήμα 5.

Βήμα 7: Μειονέκτημα της στρατηγικής ελέγχου τετραγωνικών κυμάτων

Η χρήση της στρατηγικής ελέγχου τετραγωνικών κυμάτων προκαλεί στον μετατροπέα να παράγει μεγάλη ποσότητα αρμονικών. Εκτός από τη θεμελιώδη συχνότητα, οι μετατροπείς τετραγωνικών κυμάτων έχουν στοιχεία μονής συχνότητας. Αυτές οι αρμονικές προκαλούν κορεσμό της ροής του μηχανήματος, οδηγώντας έτσι σε κακή απόδοση του μηχανήματος, μερικές φορές ακόμη και καταστρέφοντας το υλικό. Ως εκ τούτου, το THD που παράγεται από αυτούς τους τύπους μετατροπέων είναι πολύ μεγάλο. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, μια άλλη στρατηγική ελέγχου γνωστή ως Quasi-Square Wave μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μειώσει σημαντικά την ποσότητα των αρμονικών που παράγει ο μετατροπέας.

Βήμα 8: Σχεδιασμός GreenPAK για υλοποίηση οιονεί τετραγωνικού κύματος με βάση το PWM

Στη στρατηγική ελέγχου τετραγωνικών κυμάτων, εισάγεται μηδενική τάση εξόδου που μπορεί να μειώσει σημαντικά τις αρμονικές που υπάρχουν στη συμβατική τετραγωνική κυματομορφή. Τα κύρια πλεονεκτήματα της χρήσης ενός μετατροπέα οιονεί τετραγωνικού κύματος περιλαμβάνουν:

● Το πλάτος του θεμελιώδους συστατικού μπορεί να ελεγχθεί (ελέγχοντας το α)

Ertain Ορισμένα αρμονικά περιεχόμενα μπορούν να εξαλειφθούν (επίσης ελέγχοντας το α)

Το πλάτος του θεμελιώδους συστατικού μπορεί να ελεγχθεί ελέγχοντας την τιμή του α όπως φαίνεται στον τύπο 1.

Το ένατο αρμονικό μπορεί να εξαλειφθεί εάν το πλάτος του είναι μηδενικό. Για παράδειγμα, το πλάτος της τρίτης αρμονικής (n = 3) είναι μηδέν όταν α = 30 ° (τύπος 2).

Ο σχεδιασμός GreenPAK για την εφαρμογή της στρατηγικής ελέγχου οιονεί τετραγωνικού κύματος φαίνεται στο σχήμα 9.

Το μπλοκ PWM χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας τετραγωνικής κυματομορφής με κύκλο λειτουργίας 50 %. Η μηδενική τάση εξόδου εισάγεται καθυστερώντας την τάση που εμφανίζεται στην έξοδο Pin-15. Το μπλοκ P-DLY1 έχει διαμορφωθεί για να ανιχνεύει την ανερχόμενη άκρη της κυματομορφής. Το P-DLY1 θα ανιχνεύει περιοδικά την ανερχόμενη άκρη μετά από κάθε περίοδο και θα ενεργοποιεί το μπλοκ DLY-3, το οποίο προκαλεί καθυστέρηση 2 ms πριν χρονομετρήσει το VDD σε ένα D-flip flop για να ενεργοποιήσει την έξοδο Pin-15.

Το Pin-15 μπορεί να προκαλέσει ενεργοποίηση τόσο του SW1 όσο και του SW4. Όταν συμβεί αυτό, θα εμφανιστεί μια θετική τάση στο φορτίο.

Ο μηχανισμός ανίχνευσης ανερχόμενης ακμής P-DLY1 ενεργοποιεί επίσης το μπλοκ DLY-7, το οποίο μετά από 8ms επαναφέρει το D-flip flop και 0 V εμφανίζεται στην έξοδο.

Τα DLY-8 και DLY-9 ενεργοποιούνται επίσης από την ίδια ανερχόμενη άκρη. Το DLY-8 παράγει καθυστέρηση 10ms και ενεργοποιεί ξανά το DLY-3, το οποίο μετά από 2ms θα χρονομετρήσει το DFF προκαλώντας ένα λογικό υψηλό στις δύο πύλες AND.

Σε αυτό το σημείο Out+ από το μπλοκ PWM γίνεται 0, αφού ο κύκλος λειτουργίας του μπλοκ έχει ρυθμιστεί να είναι 50 %. Εμφανίζεται στο Pin-16 προκαλώντας την ενεργοποίηση των SW2 και SW3, παράγοντας εναλλασσόμενη τάση στο φορτίο. Μετά από 18ms το DLY-9 θα επαναφέρει το DFF και θα εμφανιστεί 0V στο Pin-16 και ο περιοδικός κύκλος συνεχίζει να βγάζει ένα σήμα AC.

Η διαμόρφωση για διαφορετικά μπλοκ GreenPAK φαίνεται στα σχήματα 10-14.

Βήμα 9: Αποτελέσματα

Τάση DC 12 V παρέχεται από την μπαταρία στον μετατροπέα. Ο μετατροπέας μετατρέπει αυτήν την τάση σε κυματομορφή εναλλασσόμενου ρεύματος. Η έξοδος από το μετατροπέα τροφοδοτείται σε έναν μετασχηματιστή επιτάχυνσης που μετατρέπει την τάση 12 V AC σε 220 V, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση των φορτίων AC.

συμπέρασμα

Σε αυτό το Instructable, έχουμε εφαρμόσει έναν μονοφασικό μετατροπέα χρησιμοποιώντας στρατηγικές ελέγχου τετραγωνικού κύματος και οιονεί τετραγωνικού κύματος χρησιμοποιώντας το GreenPAK a CMIC. Οι GreenPAK CMIC λειτουργούν ως ένα βολικό υποκατάστατο των μικροελεγκτών και των αναλογικών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται συμβατικά για την εφαρμογή ενός μονοφασικού μετατροπέα. Επιπλέον, τα CMIC της GreenPAK έχουν δυνατότητες στο σχεδιασμό τριφασικών μετατροπέων.