Κύκλωμα οδήγησης πύλης για τριφασικό μετατροπέα: 9 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Αυτό το έργο είναι βασικά ένα κύκλωμα οδήγησης για έναν εξοπλισμό που ονομάζεται SemiTeach, το οποίο αγοράσαμε πρόσφατα για το τμήμα μας. Εμφανίζεται η εικόνα της συσκευής.

Η σύνδεση αυτού του κυκλώματος προγράμματος οδήγησης σε 6 mosfets δημιουργεί τρεις μετατοπισμένες τάσεις AC 120 μοιρών. Το εύρος είναι 600 V για τη συσκευή SemiTeach. Η συσκευή έχει επίσης ενσωματωμένους ακροδέκτες εξόδου σφάλματος που δίνουν χαμηλή κατάσταση όταν εντοπίζεται σφάλμα σε οποιαδήποτε από τις τρεις φάσεις

Οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία ενέργειας για τη μετατροπή της τάσης DC πολλών πηγών γενιάς σε τάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος για αποδοτική μετάδοση και διανομή. Με γούνα, χρησιμοποιούνται επίσης για την εξαγωγή ενέργειας από τη σειρά αδιάλειπτης ισχύος (UPS). Οι μετατροπείς χρειάζονται ένα κύκλωμα οδήγησης πύλης για να οδηγήσουν τους διακόπτες Power Electronics που χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα για τη μετατροπή. Υπάρχουν πολλοί τύποι σημάτων πύλης που μπορούν να εφαρμοστούν. Η ακόλουθη έκθεση συζητά τον σχεδιασμό και την εφαρμογή ενός κυκλώματος οδήγησης πύλης για έναν τριφασικό μετατροπέα χρησιμοποιώντας αγωγιμότητα 180 μοιρών. Αυτή η αναφορά επικεντρώνεται στον σχεδιασμό του κυκλώματος οδηγού πύλης, στον οποίο αναγράφονται όλες οι λεπτομέρειες του σχεδιασμού. Επιπλέον, αυτό το έργο περικλείει επίσης την προστασία του μικροελεγκτή και του κυκλώματος κατά τις συνθήκες σφάλματος. Η έξοδος του κυκλώματος είναι 6 PWM για 3 σκέλη του τριφασικού μετατροπέα.

Βήμα 1: Επισκόπηση λογοτεχνίας

Πολλές εφαρμογές στη βιομηχανία ενέργειας απαιτούν τη μετατροπή της τάσης DC σε τάση AC, όπως η σύνδεση ηλιακών συλλεκτών στο εθνικό δίκτυο ή στην τροφοδοσία συσκευών εναλλασσόμενου ρεύματος. Αυτή η μετατροπή DC σε AC επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μετατροπείς. Με βάση τον τύπο τροφοδοσίας, υπάρχουν δύο τύποι μετατροπέων: Μονοφασικός μετατροπέας και τριφασικός μετατροπέας. Ένας μετατροπέας μονής φάσης λαμβάνει την τάση DC ως είσοδο και τη μετατρέπει σε τάση εναλλασσόμενου ρεύματος ενιαίας φάσης, ενώ ένας μετατροπέας τριφασικού μετατροπέα μετατρέπει την τάση DC σε τριφασική τάση εναλλασσόμενου ρεύματος.

Εικόνα 1.1: Τριφασικός μετατροπέας

Ένας τριφασικός μετατροπέας χρησιμοποιεί 6 διακόπτες τρανζίστορ όπως φαίνεται παραπάνω, οι οποίοι κινούνται από σήματα PWM χρησιμοποιώντας κυκλώματα οδηγών πύλης.

Τα σήματα πύλης του αντιστροφέα πρέπει να έχουν διαφοροποίηση φάσης 120 μοίρες μεταξύ τους για να αποκτήσουν τριφασική ισορροπημένη έξοδο. Δύο τύποι σημάτων ελέγχου μπορούν να εφαρμοστούν για την εκτέλεση αυτού του κυκλώματος

• Αγωγιμότητα 180 μοιρών

• Αγωγιμότητα 120 μοιρών

Λειτουργία αγωγιμότητας 180 μοιρών

Σε αυτήν τη λειτουργία, κάθε τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένο για 180 μοίρες. Και ανά πάσα στιγμή, τρία τρανζίστορ παραμένουν ενεργοποιημένα, ένα τρανζίστορ σε κάθε κλάδο. Σε έναν κύκλο, υπάρχουν έξι τρόποι λειτουργίας και κάθε λειτουργία λειτουργεί για 60 μοίρες του κύκλου. Τα σήματα πύλης μετατοπίζονται το ένα από το άλλο με διαφορά φάσης 60 μοίρες για να επιτευχθεί ισορροπημένη τροφοφασική τροφοδοσία.

Εικόνα 1.2: Αγωγιμότητα 180 μοιρών

Λειτουργία αγωγιμότητας 120 μοιρών

Σε αυτή τη λειτουργία, κάθε τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένο για 120 μοίρες. Και ανά πάσα στιγμή, μόνο δύο τρανζίστορ οδηγούν. Πρέπει να σημειωθεί ότι ανά πάσα στιγμή, σε κάθε κλάδο, πρέπει να είναι ενεργοποιημένο μόνο ένα τρανζίστορ. Θα πρέπει να υπάρχει διαφορά φάσης 60 μοίρες μεταξύ των σημάτων PWM για ισορροπημένη τριφασική έξοδο AC.

Εικόνα 1.3: Αγωγιμότητα 120 μοιρών

Έλεγχος νεκρού χρόνου

Μια πολύ σημαντική προφύλαξη που πρέπει να ληφθεί είναι ότι σε ένα πόδι, και τα δύο τρανζίστορ δεν πρέπει να είναι ενεργοποιημένα ταυτόχρονα, διαφορετικά η πηγή DC θα βραχυκυκλώσει και το κύκλωμα είναι κατεστραμμένο. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να προσθέσουμε ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα μεταξύ της στροφής του ενός τρανζίστορ και της ενεργοποίησης του άλλου τρανζίστορ.

Βήμα 2: Διάγραμμα αποκλεισμού

Βήμα 3: Συστατικά

Σε αυτήν την ενότητα θα παρουσιαστούν και θα αναλυθούν λεπτομέρειες σχετικά με το σχέδιο.

Λίστα συστατικών

• Optocoupler 4n35

• IC IC οδηγού IR2110

• Τρανζίστορ 2N3904

• Δίοδος (UF4007)

• Δίοδοι Zener

• Ρελέ 5V

• ΚΑΙ Πύλη 7408

• ATiny85

Optocoupler

Το οπτικό ζεύγος 4n35 έχει χρησιμοποιηθεί για οπτική απομόνωση του μικροελεγκτή από το υπόλοιπο κύκλωμα. Η επιλεγμένη αντίσταση βασίζεται στον τύπο:

Αντίσταση = LedVoltage/CurrentRating

Αντίσταση = 1,35V/13,5mA

Αντίσταση = 100ohms

Η αντίσταση εξόδου που λειτουργεί ως αντίσταση έλξης είναι 10k ohm για σωστή ανάπτυξη τάσης σε αυτό.

IR 2110

Είναι ένα IC οδήγησης πύλης που συνήθως χρησιμοποιείται για την οδήγηση των MOSFET. Πρόκειται για ένα IC V High and Low Side Driver IC με τυπικά ρεύματα 2,5 A και 2,5 A νεροχύτη σε 14 IC Packaging IC.

Πυκνωτής Bootstrap

Το πιο σημαντικό συστατικό του IC οδηγού είναι ο πυκνωτής bootstrap. Ο πυκνωτής bootstrap πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει αυτό το φορτίο και να διατηρεί την πλήρη τάση του, διαφορετικά θα υπάρξει σημαντική ποσότητα κυματισμού στην τάση Vbs, η οποία θα μπορούσε να πέσει κάτω από το κλείδωμα υπό τάσης Vbsuv και να προκαλέσει διακοπή λειτουργίας της εξόδου HO. Επομένως, η φόρτιση στον πυκνωτή Cbs πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την παραπάνω τιμή. Η ελάχιστη τιμή πυκνωτή μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω εξίσωση.

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

Πού ως

Vf = Εμπρός πτώση τάσης στην δίοδο εκκίνησης

VLS = Πτώση τάσης σε χαμηλή πλευρά FET (ή φορτίο για οδηγό υψηλής πλευράς)

VMin = Ελάχιστη τάση μεταξύ VB και VS

Qg = Φόρτιση πύλης FET υψηλής πλευράς

F = Συχνότητα λειτουργίας

Icbs (διαρροή) = Ρεύμα διαρροής πυκνωτή Bootstrap

Qls = απαιτείται χρέωση μετατόπισης επιπέδου ανά κύκλο

Επιλέξαμε μια τιμή 47uF.

Τρανζίστορ 2N3904

Το 2N3904 είναι ένα κοινό τρανζίστορ διπολικής σύνδεσης NPN που χρησιμοποιείται για εφαρμογές ενίσχυσης ή μεταγωγής χαμηλής ισχύος γενικής χρήσης. Μπορεί να χειριστεί ρεύμα 200 mA (απόλυτο μέγιστο) και συχνότητες έως 100 MHz όταν χρησιμοποιείται ως ενισχυτής.

Δίοδος (UF4007)

Χρησιμοποιείται ένας ημιαγωγός τύπου Ι υψηλής αντίστασης για να παρέχει σημαντικά χαμηλότερη χωρητικότητα διόδου (Ct). Ως αποτέλεσμα, οι δίοδοι PIN λειτουργούν ως μεταβλητή αντίσταση με μεροληψία προς τα εμπρός και συμπεριφέρονται ως πυκνωτής με αντίστροφη πόλωση. Χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας (η χαμηλή χωρητικότητα εξασφαλίζει ελάχιστη επίδραση των γραμμών σήματος) τα καθιστούν κατάλληλα για χρήση ως μεταβλητά στοιχεία αντίστασης σε μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, όπως εξασθενητές, μεταγωγή σήματος υψηλής συχνότητας (δηλαδή κινητά τηλέφωνα που απαιτούν κεραία) και κυκλώματα AGC.

Δίοδος Zener

Μια δίοδος Zener είναι ένας συγκεκριμένος τύπος διόδου που, σε αντίθεση με μια κανονική, επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει όχι μόνο από την άνοδο στην κάθοδό του, αλλά και στην αντίστροφη κατεύθυνση, όταν επιτευχθεί η τάση Zener. Χρησιμοποιείται ως ρυθμιστής τάσης. Οι δίοδοι Zener διαθέτουν διασταύρωση p-n υψηλής έντασης. Οι κανονικές διόδους θα σπάσουν επίσης με αντίστροφη τάση, αλλά η τάση και η ευκρίνεια του γόνατος δεν είναι τόσο καλά καθορισμένες όσο για μια δίοδο Zener. Επίσης οι κανονικές δίοδοι δεν έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν στην περιοχή διάσπασης, αλλά οι δίοδοι Zener μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα σε αυτήν την περιοχή.

Ρελέ

Τα ρελέ είναι διακόπτες που ανοίγουν και κλείνουν κυκλώματα ηλεκτρομηχανικά ή ηλεκτρονικά. Τα ρελέ ελέγχουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ανοίγοντας και κλείνοντας επαφές σε ένα άλλο κύκλωμα. Όταν μια επαφή ρελέ είναι κανονικά ανοιχτή (ΟΧΙ), υπάρχει μια ανοιχτή επαφή όταν το ρελέ δεν είναι ενεργοποιημένο. Όταν μια επαφή ρελέ είναι κανονικά κλειστή (NC), υπάρχει μια κλειστή επαφή όταν το ρελέ δεν είναι ενεργοποιημένο. Σε κάθε περίπτωση, η εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος στις επαφές θα αλλάξει την κατάστασή τους

ΚΑΙ ΠΥΛΗ 7408

Το Logic AND Gate είναι ένας τύπος ψηφιακής λογικής πύλης της οποίας η έξοδος πηγαίνει Υ HIGHΗΛΗ σε ένα λογικό επίπεδο 1 όταν όλες οι είσοδοί της είναι Υ HIGHΗΛΕΣ

ATiny85

Πρόκειται για μικροεπεξεργαστή χαμηλής ισχύος 8-bit AVR RISC με μικροελεγκτή που συνδυάζει μνήμη στάχτης 8KB ISP, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 γραμμές I/O γενικής χρήσης, 32 καταχωρητές εργασίας γενικής χρήσης, έναν χρονοδιακόπτη/μετρητή 8 bit με λειτουργίες σύγκρισης, ένας χρονοδιακόπτης/μετρητής υψηλής ταχύτητας 8 bit, USI, εσωτερικές και εξωτερικές διακοπές, μετατροπέας A/D 4 καναλιών 10 bit.

Βήμα 4: Εργασία και κύκλος εξηγείται

Σε αυτήν την ενότητα θα εξηγηθεί λεπτομερώς η λειτουργία του κυκλώματος.

Γενιά PWM

Το PWM έχει δημιουργηθεί από μικροελεγκτή STM. Τα TIM3, TIM4 και TIM5 έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία τριών PWM 50 % κύκλου λειτουργίας. Η μετατόπιση φάσης 60 μοιρών ενσωματώθηκε μεταξύ τριών PWM χρησιμοποιώντας χρονική καθυστέρηση. Για σήμα PWM 50 Hz, χρησιμοποιήθηκε η ακόλουθη μέθοδος για τον υπολογισμό της καθυστέρησης

καθυστέρηση = Χρονική περίοδος ∗ 60/360

καθυστέρηση = 20ms ∗ 60/360

καθυστέρηση = 3,3ms

Απομόνωση μικροελεγκτή με χρήση Optocoupler

Η απομόνωση μεταξύ του μικροελεγκτή και του υπόλοιπου κυκλώματος έχει γίνει χρησιμοποιώντας οπτικό ζεύγος 4n35. Η τάση απομόνωσης 4n35 είναι περίπου 5000 V. Χρησιμοποιείται για την προστασία του μικροελεγκτή από τα αντίστροφα ρεύματα. Καθώς ο μικροελεγκτής δεν μπορεί να αντέξει αρνητική τάση, επομένως, για την προστασία του μικροελεγκτή, χρησιμοποιείται οπτικό ζεύγος.

Το IC οδηγού Gate Driving CircuitIR2110 χρησιμοποιήθηκε για την παροχή εναλλαγής PWM στα MOSFET. Στην είσοδο του IC παρέχονται PWM από τον μικροελεγκτή. Καθώς το IR2110 δεν έχει την ενσωματωμένη πύλη NOT, το BJT χρησιμοποιείται ως μετατροπέας στο pin Lin. Στη συνέχεια, δίνει τα συμπληρωματικά PWM στα MOSFET που πρόκειται να οδηγηθούν

Ανίχνευση σφαλμάτων

Η μονάδα SemiTeach έχει 3 ακίδες σφάλματος που είναι συνήθως Υ HIGHΗΛΕΣ στους 15 V. Κάθε φορά που υπάρχει κάποιο σφάλμα στο κύκλωμα, ένας από τους πείρους πηγαίνει στο επίπεδο LOW. Για την προστασία των εξαρτημάτων του κυκλώματος, το κύκλωμα πρέπει να κοπεί o ff κατά τη διάρκεια συνθηκών σφάλματος. Αυτό επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας AND Gate, Μικροελεγκτή ATiny85 και ένα ρελέ 5 V. Χρήση του AND Gate

Η είσοδος στην πύλη AND είναι 3 ακίδες σφάλματος που βρίσκονται σε κατάσταση HIGH σε κανονική κατάσταση, έτσι ώστε η έξοδος της AND Gate να είναι HIGH σε κανονικές συνθήκες. Μόλις υπάρξει σφάλμα, οι ακίδες πηγαίνουν στα 0 V και ως εκ τούτου η έξοδος της πύλης AND πηγαίνει ΧΑΜΗΛΗ. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει εάν υπάρχει σφάλμα ή όχι στο κύκλωμα. Το Vcc στο AND Gate παρέχεται μέσω μιας διόδου Zener.

Κόβοντας το Vcc μέσω του ATiny85

Η έξοδος του AND Gate τροφοδοτείται στον μικροελεγκτή ATiny85 ο οποίος δημιουργεί μια διακοπή μόλις υπάρξει οποιοδήποτε σφάλμα. Αυτό οδηγεί περαιτέρω το ρελέ που κόβει το Vcc όλων των εξαρτημάτων εκτός από το ATiny85.

Βήμα 5: Προσομοίωση

Για την προσομοίωση, χρησιμοποιήσαμε τα PWM από τη γεννήτρια συναρτήσεων στο μοντέλο Proteus και όχι στο μοντέλο STMf401 καθώς δεν είναι διαθέσιμο στο Proteus. Χρησιμοποιήσαμε το Opto-Coupler 4n35 για την απομόνωση μεταξύ του μικροελεγκτή και του υπόλοιπου κυκλώματος. Το IR2103 χρησιμοποιείται στις προσομοιώσεις ως τρέχων ενισχυτής που μας δίνει συμπληρωματικά PWM.

Το σχηματικό διάγραμμα δίνεται ως εξής:

High Side Output Αυτή η έξοδος είναι μεταξύ HO και Vs. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την έξοδο των τριών PWM υψηλής πλευράς.

Χαμηλή πλευρική έξοδος Αυτή η έξοδος είναι μεταξύ LO και COM. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την έξοδο των τριών PWM υψηλής πλευράς.

Βήμα 6: Σχηματική και διάταξη PCB

Εμφανίστηκε η σχηματική διάταξη και η διάταξη PCB που δημιουργήθηκε στο Proteus

Βήμα 7: Αποτελέσματα υλικού

Συμπληρωματικά PWM

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την έξοδο ενός από τα IR2110 που είναι συμπληρωματικό

PWM Φάσης Α και Β

Η φάση Α και Β της φάσης είναι 60 μοιρών μετατοπισμένη φάση. Εμφανίζεται στο σχήμα

PWM Φάσης Α και Γ

Η φάση Α και Γ των -60 μοιρών μετατοπίζεται φάση. Εμφανίζεται στο σχήμα

Βήμα 8: Κωδικοποίηση

Ο κώδικας αναπτύχθηκε στο Atollic TrueStudio. Για να εγκαταστήσετε το Atollic μπορείτε να δείτε τα προηγούμενα σεμινάρια μου ή να το κατεβάσετε online.

Το πλήρες έργο προστέθηκε.

Βήμα 9: Ευχαριστώ

Ακολουθώντας την παράδοσή μου, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της ομάδας μου που με βοήθησαν να ολοκληρώσω αυτό το φοβερό έργο.

Ελπίζω αυτό το διδακτικό να σας βοηθήσει.

Αυτός είμαι εγώ που υπογράφω:)

Τις καλύτερες ευχές

Ταχίρ Ουλ Χακ

EE, UET LHR Πακιστάν