Circuit driver de poartă pentru invertor trifazat: 9 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Acest proiect este în esență un Driver Circuit pentru un echipament numit SemiTeach pe care l-am cumpărat recent pentru departamentul nostru. Este afișată imaginea dispozitivului.

Conectarea acestui circuit driver la 6 mosfete generează trei tensiuni alternate de 120 de grade. Gama este de 600 V pentru dispozitivul SemiTeach. Dispozitivul are, de asemenea, încorporate terminale de ieșire de eroare care dau o stare scăzută atunci când este detectată o eroare în oricare dintre cele trei faze

Invertoarele sunt utilizate în mod obișnuit în industria energiei electrice pentru a converti tensiunea continuă a mai multor surse de generație în tensiuni de curent alternativ pentru transmisie și distribuție eficiente. Mai mult decât atât, sunt folosite și pentru extragerea energiei din seria neîntreruptibilă (UPS). Invertoarele au nevoie de un Circuit Driver Gate pentru a acționa comutatoarele Power Electronics utilizate în circuit pentru conversie. Există multe tipuri de semnale de poartă care pot fi puse în aplicare. Următorul raport discută despre proiectarea și implementarea unui circuit de driver de poartă pentru un invertor trifazat care utilizează conducerea de 180 de grade. Acest raport se concentrează pe proiectarea circuitului driverului de poartă în care sunt scrise detaliile complete de proiectare. În plus, acest proiect încapsulează și protecția microcontrolerului și a circuitului în condițiile de eroare. Ieșirea circuitului este de 6 PWM-uri pentru 3 picioare ale invertorului trifazat.

Pasul 1: Revizuirea literaturii

Multe aplicații din industria energetică necesită conversia tensiunii de curent continuu la tensiunea de curent alternativ, cum ar fi conectarea panourilor solare la rețeaua națională sau la dispozitivele de curent alternativ. Această conversie de curent continuu în curent alternativ se realizează folosind invertoare. Pe baza tipului de alimentare, există două tipuri de invertoare: invertor monofazat și invertor trifazat. Un invertor monofazat ia tensiunea continuă ca intrare și o convertește în tensiune alternativă monofazată, în timp ce un convertor trifazat convertește tensiunea continuă în tensiune alternativă trifazată.

Figura 1.1: Invertor trifazat

Un invertor trifazat folosește 6 comutatoare cu tranzistoare, așa cum se arată mai sus, care sunt acționate de semnalele PWM folosind circuite de driver de poartă.

Semnalele Gating ale invertorului ar trebui să aibă o diferență de fază de 120 de grade unul față de celălalt pentru a obține o ieșire echilibrată trifazată. Două tipuri de semnale de control pot fi aplicate pentru a rula acest circuit

• Conducere la 180 de grade

• Conducere de 120 de grade

Mod de conducere la 180 de grade

În acest mod, fiecare tranzistor este pornit timp de 180 de grade. Și în orice moment, trei tranzistori rămân conectați, câte un tranzistor în fiecare ramură. Într-un ciclu, există șase moduri de funcționare și fiecare mod funcționează timp de 60 de grade ale ciclului. Semnalele de porți sunt schimbate unele de altele printr-o diferență de fază de 60 de grade pentru a obține o alimentare echilibrată trifazată.

Figura 1.2: Conductie de 180 de grade

Mod de conducere de 120 de grade

În acest mod, fiecare tranzistor este pornit timp de 120 de grade. Și în orice moment, doar doi tranzistori conduc. Trebuie remarcat faptul că, în orice moment, în fiecare ramură, ar trebui să fie pornit un singur tranzistor. Ar trebui să existe o diferență de fază de 60 de grade între semnalele PWM pentru a obține o ieșire AC trifazată echilibrată.

Figura 1.3: Conducere de 120 de grade

Controlul timpului mort

O precauție foarte importantă care trebuie luată este că într-un picior, ambele tranzistoare nu ar trebui să fie pornite în același timp, altfel Sursa DC va face scurtcircuit și circuitul este deteriorat. Prin urmare, este foarte esențial să adăugați un interval de timp foarte scurt între rotirea o ff a unui tranzistor și pornirea celuilalt tranzistor.

Pasul 2: Diagrama bloc

Pasul 3: Componente

În această secțiune vor fi prezentate detalii despre design și vor fi analizate.

Lista componentelor

• Optocuplor 4n35

• IC driver IR2110

• Tranzistorul 2N3904

• Diodă (UF4007)

• Diodele Zener

• Releu 5V

• ȘI Poarta 7408

• ATiny85

Optocuplator

Optocuplorul 4n35 a fost utilizat pentru izolarea optică a microcontrolerului de restul circuitului. Rezistența selectată se bazează pe formula:

Rezistență = LedVoltage / CurrentRating

Rezistență = 1,35V / 13,5mA

Rezistență = 100ohms

Rezistența de ieșire, care acționează ca rezistență la tragere, este de 10k ohm pentru o dezvoltare adecvată a tensiunii pe ea.

IR 2110

Este un circuit de control al porții utilizat de obicei pentru conducerea MOSFET-urilor. Este un circuit de încărcare de 500 V înaltă și joasă, cu o sursă tipică de 2,5 A și curenți de 2,5 A în 14 IC de ambalare cu plumb.

Condensator Bootstrap

Cea mai importantă componentă a driverului IC este condensatorul bootstrap. Condensatorul bootstrap trebuie să fie capabil să furnizeze această încărcare și să-și păstreze tensiunea maximă, altfel va exista o cantitate semnificativă de ondulare pe tensiunea Vbs, care ar putea scădea sub blocarea subtensiunii Vbsuv și ar putea determina ieșirea HO să nu mai funcționeze. Prin urmare, încărcarea condensatorului Cbs trebuie să fie de minimum dublul valorii de mai sus. Valoarea minimă a condensatorului poate fi calculată din ecuația de mai jos.

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

Unde ca.

Vf = Cădere de tensiune înainte pe dioda bootstrap

VLS = Scădere de tensiune pe partea inferioară FET (sau sarcină pentru un driver lateral înalt)

VMin = Tensiunea minimă între VB și VS

Qg = Încărcare poartă a FET-ului lateral înalt

F = Frecvența de funcționare

Icbs (scurgeri) = curent de scurgere a condensatorului Bootstrap

Qls = taxa de schimbare a nivelului necesară pe ciclu

Am selectat o valoare de 47uF.

Tranzistorul 2N3904

2N3904 este un tranzistor de joncțiune bipolar NPN obișnuit utilizat pentru aplicații de amplificare sau comutare de uz general cu putere redusă. Poate gestiona 200 mA curent (maxim absolut) și frecvențe de până la 100 MHz atunci când este utilizat ca amplificator.

Diodă (UF4007)

Un semiconductor de tip I cu rezistivitate ridicată este utilizat pentru a asigura o capacitate a diodei semnificativ mai mică (Ct). Drept urmare, diodele PIN acționează ca un rezistor variabil cu polarizare directă și se comportă ca un condensator cu polarizare inversă. Caracteristicile de înaltă frecvență (capacitatea redusă asigură un efect minim al liniilor de semnal) le fac potrivite pentru a fi utilizate ca elemente de rezistență variabilă într-o mare varietate de aplicații, inclusiv atenuatoare, comutare de semnal de înaltă frecvență (de exemplu, telefoane mobile care necesită o antenă) și circuite AGC.

Zener Diode

O diodă Zener este un anumit tip de diodă care, spre deosebire de una normală, permite curentului să curgă nu numai din anodul său către catodul său, ci și în direcția inversă, când se atinge tensiunea Zener. Este folosit ca regulator de tensiune. Diodele Zener au o joncțiune p-n foarte dopată. Diodele normale se vor defecta și cu o tensiune inversă, dar tensiunea și claritatea genunchiului nu sunt la fel de bine definite ca pentru o diodă Zener. De asemenea, diodele normale nu sunt proiectate să funcționeze în regiunea de defalcare, dar diodele Zener pot funcționa în mod fiabil în această regiune.

Releu

Releele sunt comutatoare care deschid și închid circuitele electromecanic sau electronic. Releele controlează un circuit electric prin deschiderea și închiderea contactelor într-un alt circuit. Când un contact de releu este normal deschis (NO), există un contact deschis când releul nu este alimentat. Când un contact de releu este În mod normal închis (NC), există un contact închis când releul nu este alimentat. În ambele cazuri, aplicarea curentului electric la contacte le va schimba starea

ȘI GATE 7408

O poartă logică ȘI poartă este un tip de poartă logică digitală a cărei ieșire merge HIGH la un nivel logic 1 când toate intrările sale sunt HIGH

ATiny85

Este un microcontroler cu microcip AVR RISC de 8 biți de mică putere, care combină memorie de 8 KB ISP fl ash, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 linii I / O de uz general, 32 de registre de lucru de uz general, un contor / contor de 8 biți cu moduri de comparare, un temporizator / contor de mare viteză pe 8 biți, USI, întreruperi interne și externe, convertor A / D pe 4 canale pe 10 biți.

Pasul 4: Lucrul și circuitul explicat

În această secțiune, funcționarea circuitului va fi explicată în detaliu.

Generația PWM

PWM a fost generat de la microcontrolerul STM. TIM3, TIM4 și TIM5 au fost utilizate pentru a genera trei PWM-uri cu un ciclu de funcționare de 50%. Schimbarea fazei de 60 de grade a fost încorporată între trei PWM folosind întârzierea timpului. Pentru semnalul PWM de 50 Hz, metoda următoare a fost utilizată pentru a calcula întârzierea

întârziere = TimePeriod ∗ 60/360

întârziere = 20ms ∗ 60/360

întârziere = 3,3 ms

Izolarea microcontrolerului folosind optocuplator

Izolarea între microcontroler și restul circuitului s-a făcut folosind optocuplatorul 4n35. Tensiunea de izolare de 4n35 este de aproximativ 5000 V. Este utilizată pentru protecția microcontrolerului de curenții inversi. Deoarece un microcontroler nu poate suporta tensiune negativă, prin urmare, pentru protecția microcontrolerului, se folosește optocuplor.

Circuitul de conducere la poartă IC driverul IR2110 a fost utilizat pentru a furniza comutarea PWM-urilor la MOSFET-uri. PWM-urile de la microcontroler au fost furnizate la intrarea IC. Deoarece IR2110 nu are poarta NOT încorporată, BJT este utilizat ca invertor la pinul Lin. Apoi oferă PWM-urile complementare MOSFET-urilor care urmează să fie conduse

Eroare detectata

Modulul SemiTeach are 3 pini de eroare care sunt în mod normal HIGH la 15 V. Ori de câte ori există vreo eroare în circuit, unul dintre pini ajunge la nivelul LOW. Pentru protecția componentelor circuitului, circuitul trebuie întrerupt în condiții de eroare. Acest lucru a fost realizat folosind AND Gate, microcontrolerul ATiny85 și un releu de 5 V. Utilizarea AND Gate

Intrarea la poarta AND este de 3 pini de eroare care sunt în stare HIGH în stare normală, astfel încât ieșirea AND Gate este HIGH în condiții normale. De îndată ce apare o eroare, pinii merg la 0 V și, prin urmare, ieșirea porții AND este scăzută. Aceasta poate fi utilizată pentru a verifica dacă există sau nu o eroare în circuit. Vcc-ul către poarta AND este furnizat printr-o diodă Zener.

Tăierea Vcc prin ATiny85

Ieșirea porții AND este alimentată către microcontrolerul ATiny85 care generează o întrerupere de îndată ce apare o eroare. Acest lucru acționează în continuare releu care taie Vcc-ul tuturor componentelor, cu excepția ATiny85.

Pasul 5: Simulare

Pentru simulare, am folosit PWM-urile de la generatorul de funcții din Proteus, mai degrabă decât modelul STMf401, deoarece nu este disponibil pe Proteus. Am folosit Opto-Coupler 4n35 pentru izolarea între microcontroler și restul circuitului. IR2103 este utilizat în simulări ca un amplificator de curent care ne oferă PWM complementare.

Diagrama schematică Diagrama schematică este dată după cum urmează:

Ieșire laterală mare Această ieșire este între HO și Vs. Următoarea figură arată ieșirea celor trei PWM-uri laterale înalte.

Ieșire laterală joasă Această ieșire este între LO și COM. Figura următoare arată ieșirea celor trei PWM-uri laterale înalte.

Pasul 6: Schemă și aspect PCB

A fost prezentată schema și aspectul PCB creat pe Proteus

Pasul 7: Rezultate hardware

PWM complementare

Următoarea figură arată ieșirea unuia dintre IR2110 care este complementară

PWM al fazelor A și B

Fazele A și B sunt de 60 de grade decalate. Este prezentat în figură

PWM al fazelor A și C

Fazele A și C sunt de -60 grade decalate. Este prezentat în figură

Pasul 8: Codificare

Codul a fost dezvoltat în Atollic TrueStudio. Pentru a instala Atollic puteți vizualiza tutorialele mele anterioare sau le puteți descărca online.

A fost adăugat proiectul complet.

Pasul 9: Mulțumesc

Urmând tradiția mea, aș dori să mulțumesc membrilor grupului meu care m-au ajutat la finalizarea acestui proiect minunat.

Sper că acest instructabil vă va ajuta.

Sunt eu care mă deconectez:)

Toate cele bune

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan