Верига за задвижване на порта за трифазен инвертор: 9 стъпки

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2025-01-23 14:36

Този проект е основно верига за водачи за оборудване, наречено SemiTeach, което наскоро купихме за нашия отдел. Показва се изображението на устройството.

Свързването на тази верига на драйвера към 6 MOSFET генерира три изместени на 120 градуса AC напрежения. Обхватът е 600 V за устройството SemiTeach. Устройството също има вградени изходни терминали за грешки, които дават ниско състояние при откриване на грешка в някоя от трите фази

Инверторите обикновено се използват в електроенергийната промишленост за преобразуване на постояннотоковото напрежение на много поколения източници в променливо напрежение за ефективно предаване и разпределение. Освен това те се използват и за извличане на енергия от непрекъсната мощност (UPS). Инверторите се нуждаят от верига за управление на портата, за да управляват превключвателите на силовата електроника, използвани във веригата за преобразуване. Има много видове портални сигнали, които могат да бъдат приложени. Следващият доклад обсъжда проектирането и внедряването на верига за управление на порта за трифазен инвертор, използващ 180 градусова проводимост. Този доклад се фокусира върху дизайна на веригата за управление на портата, в която са записани пълните подробности за дизайна. Освен това този проект също капсулира защитата на микроконтролера и веригата по време на условията на грешка. Изходът на веригата е 6 ШИМ за 3 крака на трифазния инвертор.

Стъпка 1: Преглед на литературата

Много приложения в електроенергийната промишленост изискват преобразуване на DC напрежение в променливо напрежение, като например свързване на слънчеви панели към националната мрежа или към захранване на променливотокови устройства. Това преобразуване на DC в AC се постига с помощта на инвертори. В зависимост от вида на захранването има два вида инвертори: Еднофазен инвертор и Трифазен инвертор. Еднофазен инвертор приема постояннотоковото напрежение като вход и го преобразува в еднофазно променливо напрежение, докато трифазен инверторен преобразувател преобразува постояннотоковото напрежение в трифазно променливо напрежение.

Фигура 1.1: Трифазен инвертор

Трифазен инвертор използва 6 транзисторни превключвателя, както е показано по -горе, които се задвижват от ШИМ сигнали, използвайки вериги за задвижване на порта.

Задействащите сигнали на инвертора трябва да имат фазова разлика от 120 градуса един спрямо друг, за да придобият трифазен балансиран изход. Два типа контролни сигнали могат да бъдат приложени за изпълнение на тази верига

• 180 градусова проводимост

• 120 градусова проводимост

180 градусов режим на проводимост

В този режим всеки транзистор се включва за 180 градуса. И по всяко време три транзистора остават включени, по един транзистор във всеки клон. В един цикъл има шест режима на работа и всеки режим работи за 60 градуса от цикъла. Сигналите на решетката се изместват един от друг с фазова разлика от 60 градуса, за да се получи трифазно балансирано захранване.

Фигура 1.2: 180 градусова проводимост

120 градусов режим на проводимост

В този режим всеки транзистор се включва за 120 градуса. И по всяко време само два транзистора провеждат. Трябва да се отбележи, че по всяко време във всеки клон трябва да бъде включен само един транзистор. Трябва да има фазова разлика от 60 градуса между PWM сигналите, за да се постигне балансиран трифазен AC изход.

Фигура 1.3: 120 градусова проводимост

Контрол на мъртво време

Една много важна предпазна мярка, която трябва да се вземе, е, че в един крак и двата транзистора не трябва да бъдат включени едновременно, в противен случай източникът на постоянен ток ще късо съединение и веригата е повредена. Ето защо е много важно да се добави много кратък интервал от време между изключването на един транзистор и включването на другия транзистор.

Стъпка 2: Блокова диаграма

Стъпка 3: Компоненти

В този раздел ще бъдат представени и анализирани подробности за дизайна.

Списък на компонентите

• Оптрон 4n35

• IC21 драйвер IC

• Транзистор 2N3904

• Диод (UF4007)

• Ценерови диоди

• Реле 5V

• И порта 7408

• ATiny85

Оптрон

Оптрон 4n35 е използван за оптична изолация на микроконтролера от останалата част на веригата. Избраното съпротивление се основава на формулата:

Съпротивление = LedVoltage/CurrentRating

Съпротивление = 1.35V/13.5mA

Съпротивление = 100ohms

Изходното съпротивление, действащо като съпротивление на издърпване, е 10k ohm за правилното развитие на напрежението в него.

IR 2110

Това е IC управляваща порта, която обикновено се използва за управление на MOSFET. Това е 500 V висока и ниска странична драйверна микросхема с типични 2.5 A източник и 2.5 A токове на поглъщане в 14 оловни опаковъчни IC.

Bootstrap кондензатор

Най -важният компонент на драйвера IC е кондензаторът за зареждане. Зареждащият кондензатор трябва да може да захрани този заряд и да запази пълното си напрежение, в противен случай ще има значително количество пулсации на напрежението Vbs, което може да падне под блокирането на Vbsuv под напрежение и да доведе до спиране на функционирането на изхода HO. Следователно зарядът в кондензатора Cbs трябва да бъде минимум двойно по -висок от горната стойност. Минималната стойност на кондензатора може да бъде изчислена от уравнението по -долу.

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

Където като

Vf = Продължителен спад на напрежението през началния диод

VLS = Спад на напрежението през ниско страничния FET (или натоварване за висок страничен драйвер)

VMin = Минимално напрежение между VB и VS

Qg = Заряд на портата на висок страничен FET

F = Честота на работа

Icbs (теч) = Ток на утечка на кондензатора на Bootstrap

Qls = такса за смяна на нивото, необходима за цикъл

Избрахме стойност 47uF.

Транзистор 2N3904

2N3904 е обикновен NPN биполярен транзистор, използван за приложения за усилване или превключване с ниска мощност с общо предназначение. Той може да обработва 200 mA ток (абсолютен максимум) и честоти до 100 MHz, когато се използва като усилвател.

Диод (UF4007)

Полупроводник I тип с високо съпротивление се използва за осигуряване на значително по-нисък диоден капацитет (Ct). В резултат на това PIN диодите действат като променлив резистор с отклонение напред и се държат като кондензатор с обратно отклонение. Високочестотните характеристики (ниският капацитет осигурява минимален ефект на сигналните линии) ги правят подходящи за използване като променливи резисторни елементи в голямо разнообразие от приложения, включително атенюатори, превключване на високочестотен сигнал (т.е. мобилни телефони, изискващи антена) и AGC вериги.

Ценеров диод

Ценеровият диод е специфичен тип диод, който, за разлика от нормалния, позволява ток да тече не само от анода към катода, но и в обратна посока, когато се достигне ценеровото напрежение. Използва се като регулатор на напрежението. Ценеровите диоди имат силно легиран p-n преход. Нормалните диоди също ще се разрушат с обратно напрежение, но напрежението и остротата на коляното не са дефинирани толкова добре, колкото за ценеровия диод. Също така нормалните диоди не са проектирани да работят в зоната на повреда, но ценеровите диоди могат надеждно да работят в тази област.

Реле

Релетата са ключове, които отварят и затварят вериги електромеханично или електронно. Релета управляват една електрическа верига чрез отваряне и затваряне на контакти в друга верига. Когато контактът на релето е нормално отворен (NO), има отворен контакт, когато релето не е под напрежение. Когато релейният контакт е нормално затворен (NC), има затворен контакт, когато релето не е захранено. И в двата случая прилагането на електрически ток към контактите ще промени състоянието им

И ВРАТА 7408

A Logic AND Gate е вид цифрова логическа порта, чийто изход достига ВИСОКО до ниво 1 на логиката, когато всичките му входове са ВИСОКИ

ATiny85

Това е 8-битов 8-битов AVR RISC-базиран микроконтролер с ниска мощност, съчетаващ 8KB ISP пепел памет, 512B EEPROM, 512-байтова SRAM, 6 входно-изходни линии с общо предназначение, 32 работни целта с общо предназначение, един 8-битов таймер/брояч с режими за сравнение, един 8-битов високоскоростен таймер/брояч, USI, вътрешни и външни прекъсвания, 4-канален 10-битов A/D конвертор.

Стъпка 4: Обяснение на работата и веригата

В този раздел работата на веригата ще бъде обяснена подробно.

ШИМ поколение

PWM е генериран от STM микроконтролер. TIM3, TIM4 и TIM5 са били използвани за генериране на три ШИМ с 50 % работен цикъл. Фазовото изместване от 60 градуса беше включено между три ШИМ, използвайки закъснение във времето. За 50 Hz PWM сигнал беше използван следния метод за изчисляване на закъснението

забавяне = Период на време ∗ 60/360

забавяне = 20ms ∗ 60/360

забавяне = 3.3ms

Изолация на микроконтролер с помощта на оптрон

Изолацията между микроконтролера и останалата част от веригата е направена с помощта на оптрон 4n35. Изолационното напрежение на 4n35 е около 5000 V. Използва се за защита на микроконтролера от обратните токове. Тъй като микроконтролерът не може да понесе отрицателно напрежение, следователно, за защита на микроконтролера се използва оптрон.

Задвижващата верига на портата IR2110 IC драйвер се използва за осигуряване на превключване на ШИМ към MOSFET. ШИМ от микроконтролера са предоставени на входа на ИС. Тъй като IR2110 нямат вграден NOT Gate, следователно BJT се използва като инвертор към щифта Lin. След това той предоставя допълнителните ШИМ на MOSFET, които трябва да бъдат задвижвани

Откриване на грешки

Модулът SemiTeach има 3 пина за грешка, които обикновено са ВИСОКИ при 15 V. Всеки път, когато има грешка във веригата, един от щифтовете преминава на ниво LOW. За защита на компонентите на веригата, веригата трябва да бъде прекъсната по време на грешка. Това беше постигнато с помощта на AND Gate, микроконтролер ATiny85 и 5 V реле. Използване на AND Gate

Входът за AND Gate са 3 грешки, които са в състояние HIGH в нормално състояние, така че изходът на AND Gate е HIGH при нормални условия. Веднага щом възникне грешка, единият извод отива на 0 V и следователно изходът на портата AND се понижава. Това може да се използва за проверка дали има грешка или не във веригата. Vcc към портата AND се осигурява чрез ценеров диод.

Нарязване на Vcc чрез ATiny85

Изходът на AND Gate се подава към микроконтролера ATiny85, който генерира прекъсване веднага щом има някаква грешка. Това допълнително задвижва релето, което прекъсва Vcc на всички компоненти, с изключение на ATiny85.

Стъпка 5: Симулация

За симулацията използвахме PWM от функционалния генератор в Proteus, а не STMf401 модел, тъй като не е наличен на Proteus. Използвахме Opto-Coupler 4n35 за изолация между микроконтролера и останалата част от веригата. IR2103 се използва в симулациите като усилвател на ток, който ни дава допълнителни ШИМ.

Схематична диаграма Схематичната диаграма е дадена, както следва:

High Side Output Този изход е между HO и Vs. Следващата фигура показва изхода на трите странични ШИМ.

Нисък страничен изход Този изход е между LO и COM. Следващата фигура показва изхода на трите странични ШИМ.

Стъпка 6: Схеми и оформление на печатни платки

Показано е схематичното и PCB оформление, създадено на Proteus

Стъпка 7: Хардуерни резултати

Допълнителни ШИМ

Следващата фигура показва изхода на един от IR2110, който се допълва

ШИМ от фаза А и В

Фазите А и В на са фазово изместени на 60 градуса. Показано е на фигурата

ШИМ от фаза А и С

Фазите А и С на -60 градуса фазово изместени. Показано е на фигурата

Стъпка 8: Кодиране

Кодът е разработен в Atollic TrueStudio. За да инсталирате Atollic, можете да видите предишните ми уроци или да изтеглите онлайн.

Пълният проект е добавен.

Стъпка 9: Благодаря

Следвайки моята традиция, бих искал да благодаря на членовете на моята група, които ми помогнаха да завърша този страхотен проект.

Надявам се тази инструкция да ви помогне.

Това аз се отписвам:)

С Най-Добри Пожелания

Тахир Ул Хак

EE, UET LHR Пакистан