Как да проектирате и внедрите еднофазен инвертор: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Тази инструкция изследва използването на CMIC на GreenPAK ™ на Dialog в приложенията на силовата електроника и ще демонстрира внедряването на еднофазен инвертор, използвайки различни методологии за управление. За определяне на качеството на еднофазния инвертор се използват различни параметри. Важен параметър е Total Harmonic Distortion (THD). THD е измерване на хармоничното изкривяване в сигнала и се определя като съотношението на сумата от мощностите на всички хармонични компоненти към мощността на основната честота.

По-долу описахме необходимите стъпки, за да разберете как решението е програмирано за създаване на еднофазен инвертор. Ако обаче просто искате да получите резултат от програмирането, изтеглете софтуера GreenPAK, за да видите вече завършения файл за проектиране GreenPAK. Включете GreenPAK Development Kit към компютъра си и натиснете програма, за да създадете еднофазен инвертор.

Стъпка 1: Еднофазен инвертор

Захранващ инвертор или инвертор е електронно устройство или схема, която променя постоянен ток (DC) в променлив ток (AC). В зависимост от броя на фазите на AC изхода има няколко типа инвертори.

● Еднофазни инвертори

● Трифазни инвертори

DC е еднопосочен поток от електрически заряд. Ако се прилага постоянно напрежение върху чисто резистивна верига, това води до постоянен ток. Сравнително, при променлив ток, потокът от електрически ток периодично обръща полярността. Най -типичната форма на AC вълна е синусоида, но може да бъде и триъгълна или квадратна вълна. За да се прехвърля електрическа енергия с различни профили на ток, са необходими специални устройства. Устройствата, които преобразуват AC в DC, са известни като токоизправители, а устройствата, които преобразуват DC в AC, са известни като инвертори.

Стъпка 2: Топологии на еднофазен инвертор

Има две основни топологии на еднофазни инвертори; полумостови и пълномостови топологии. Тази бележка за приложението се фокусира върху топологията с пълен мост, тъй като осигурява двойно изходно напрежение в сравнение с полумостовата топология.

Стъпка 3: Топология с пълен мост

В топология с пълен мост са необходими 4 превключвателя, тъй като променливото изходно напрежение се получава от разликата между два клона на превключващи клетки. Изходното напрежение се получава чрез интелигентно включване и изключване на транзисторите в определени моменти от времето. Има четири различни състояния в зависимост от това кои ключове са затворени. Таблицата по -долу обобщава състоянията и изходното напрежение, въз основа на които превключвателите са затворени.

За да се увеличи максимално изходното напрежение, основният компонент на входното напрежение на всеки клон трябва да бъде 180º извън фаза. Полупроводниците на всеки клон се допълват по производителност, което означава, че когато единият провежда другия се прекъсва и обратно. Тази топология е най -широко използваната за инвертори. Диаграмата на фигура 1 показва схемата на пълномостова топология за еднофазен инвертор.

Стъпка 4: Биполярен транзистор с изолирана порта

Биполярният транзистор с изолирана порта (IGBT) е като MOSFET с добавяне на трети PNjunction. Това позволява управление, базирано на напрежение, като MOSFET, но с изходни характеристики като BJT по отношение на високи натоварвания и ниско напрежение на насищане.

Четири основни области могат да бъдат наблюдавани върху неговото статично поведение.

● Лавинен регион

● Регион на насищане

● Зона на изрязване

● Активен регион

Лавинната област е областта, при която се прилага напрежение под пробивното напрежение, което води до разрушаване на IGBT. Зоната на изрязване включва стойности от пробивното напрежение до праговото напрежение, при което IGBT не провежда. В областта на насищане IGBT се държи като зависим източник на напрежение и последователно съпротивление. При ниски вариации на напрежението може да се постигне високо усилване на тока. Тази област е най -желаната за работа. Ако напрежението се увеличи, IGBT влиза в активната област и токът остава постоянен. За IGBT е приложено максимално напрежение, за да се гарантира, че няма да навлезе в лавинния регион. Това е един от най -използваните полупроводници в силовата електроника, тъй като може да поддържа широк диапазон от напрежения от няколко волта до kV и мощности между kW и MW.

Тези биполярни транзистори с изолирана порта действат като превключващи устройства за пълномостовата еднофазна инверторна топология.

Стъпка 5: Блок за модулация на ширината на импулса в GreenPAK

Блокът за модулация на широчината на импулса (PWM) е полезен блок, който може да се използва за широк спектър от приложения. DCMP/PWM блокът може да бъде конфигуриран като PWM блок. PWM блокът може да бъде получен чрез FSM0 и FSM1. PWM IN+ изводът е свързан към FSM0, докато IN-изводът е свързан към FSM1. Както FSM0, така и FSM1 предоставя 8-битови данни към PWM блок. Времевият период на ШИМ се определя от времевия период на FSM1. Работният цикъл за PWM блока се управлява от FSM0.

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

Има две възможности за конфигурация на работния цикъл:

● 0-99,6%: DC варира от 0% до 99,6% и се определя като IN+/256.

● 0,39-100%: DC варира от 0,39% до 100% и се определя като (IN + + 1)/256.

Стъпка 6: Проектиране на GreenPAK за PWM базирани квадратни вълни

Съществуват различни методологии за управление, които могат да се използват за внедряване на еднофазен инвертор. Една такава стратегия за управление включва PWM базирана квадратна вълна за еднофазния инвертор.

GreenPAK CMIC се използва за генериране на периодични схеми на превключване с цел удобно преобразуване на DC в AC. Напреженията от постоянен ток се захранват от батерията и изходът, получен от инвертора, може да се използва за захранване на променливотоковия товар. За целите на това приложение отбележете, че честотата на променлив ток е зададена на 50Hz, обичайна честота на домакинството в много части на света. Съответно периодът е 20 ms.

Моделът на превключване, който трябва да бъде генериран от GreenPAK за SW1 и SW4, е показан на Фигура 3.

Моделът на превключване за SW2 и SW3 е показан на фигура 4

Горните схеми на превключване могат удобно да бъдат произведени с помощта на ШИМ блок. Периодът на PWM се задава от времевия период на FSM1. Периодът от време за FSM1 трябва да бъде настроен на 20 ms, съответстващ на честота 50Hz. Работният цикъл за PWM блока се контролира от данните, получени от FSM0. За да се генерира 50% работен цикъл, стойността на брояча FSM0 е зададена на 128.

Съответният дизайн на GreenPAK е показан на фигура 5.

Стъпка 7: Недостатък на стратегията за контрол на квадратните вълни

Използването на стратегия за управление на квадратни вълни кара инвертора да произвежда голямо количество хармоници. Освен основната честота, инверторите с квадратни вълни имат нечетни честотни компоненти. Тези хармоници водят до насищане на машинния поток, което води до лошо представяне на машината, понякога дори до увреждане на хардуера. Следователно THD, произведен от тези типове инвертори, е много голям. За да се преодолее този проблем, може да се използва друга стратегия за управление, известна като квазиквадратична вълна, за значително намаляване на количеството хармоници, произведени от инвертора.

Стъпка 8: Дизайн GreenPAK за ШИМ базирани квази-квадратни вълни

В стратегията за управление на квази квадратни вълни се въвежда нулево изходно напрежение, което може значително да намали хармониците, присъстващи в конвенционалната квадратна форма на вълната. Основните предимства на използването на квазиквадратен инвертор включват:

● Амплитудата на основния компонент може да се контролира (чрез контролиране на α)

● Някои хармонични съдържания могат да бъдат елиминирани (също чрез контролиране на α)

Амплитудата на основния компонент може да се контролира чрез контролиране на стойността на α, както е показано във Формула 1.

N -та хармоника може да бъде елиминирана, ако амплитудата й е нулева. Например, амплитудата на третия хармоник (n = 3) е нула, когато α = 30 ° (Формула 2).

Дизайнът GreenPAK за прилагане на стратегията за управление на квазиквадратната вълна е показан на фигура 9.

PWM блокът се използва за генериране на квадратна форма на вълната с 50 % работен цикъл. Нулевото изходно напрежение се въвежда чрез забавяне на напрежението, появяващо се през изхода Pin-15. Блокът P-DLY1 е конфигуриран да открива нарастващия ръб на формата на вълната. P-DLY1 периодично ще открива нарастващия ръб след всеки период и ще задейства блока DLY-3, който произвежда закъснение от 2 мс, преди да задейства VDD през D-джапанка, за да активира изхода Pin-15.

Pin-15 може да доведе до включване на SW1 и SW4. Когато това се случи, натоварването ще се появи положително.

Механизмът за откриване на нарастващ ръб P-DLY1 също активира блока DLY-7, който след 8 ms нулира D-тригера и 0 V се появява на изхода.

DLY-8 и DLY-9 също се задействат от същия нарастващ ръб. DLY-8 произвежда закъснение от 10ms и задейства DLY-3 отново, което след 2ms ще генерира DFF, причинявайки логически максимум през двата порта AND.

В този момент Out+ от PWM блока става 0, тъй като работният цикъл на блока е конфигуриран да бъде 50 %. Out-ще се появи в Pin-16, което ще доведе до включване на SW2 и SW3, създавайки променливо напрежение в товара. След 18 ms DLY-9 ще нулира DFF и 0V ще се появи в Pin-16 и периодичният цикъл продължава да извежда AC сигнал.

Конфигурацията за различни блокове GreenPAK е показана на фигури 10-14.

Стъпка 9: Резултати

12 V DC напрежение се подава от батерията към инвертора. Инверторът преобразува това напрежение в променлива форма на вълната. Изходът от инвертора се подава към повишаващ трансформатор, който преобразува 12 V AC напрежение в 220 V, което може да се използва за задвижване на променливотокови товари.

Заключение

В тази инструкция ние внедрихме еднофазен инвертор, използвайки стратегии за управление на квадратни вълни и квази квадратни вълни, използвайки GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMIC действат като удобен заместител на микроконтролери и аналогови схеми, които обикновено се използват за внедряване на еднофазен инвертор. Освен това, CMP на GreenPAK имат потенциал при проектирането на трифазни инвертори.