Obvod budiče brány pro třífázový střídač: 9 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Tento projekt je v podstatě obvodem řidiče pro zařízení s názvem SemiTeach, které jsme nedávno zakoupili pro naše oddělení. Zobrazí se obrázek zařízení.

Připojení tohoto obvodu ovladače k 6 mosfetům generuje tři 120 stupňová střídavá napětí. Rozsah je 600 V pro zařízení SemiTeach. Zařízení má také vestavěné chybové výstupní terminály, které poskytují nízký stav, když je detekována chyba v jakékoli ze tří fází

Invertory se běžně používají v energetice k převodu stejnosměrného napětí mnoha generačních zdrojů na střídavé napětí pro efektivní přenos a distribuci. Kožešinové termore, jsou také používány k získávání energie z Uninterruptable Power Series (UPS). Střídače potřebují obvod ovladače brány k ovládání přepínačů Power Electronics použitých v obvodu pro převod. Existuje mnoho typů signálů brány, které lze implementovat. Následující zpráva pojednává o návrhu a implementaci obvodu budiče brány pro třífázový střídač využívající 180stupňové vedení. Tato zpráva se zaměřuje na návrh obvodu ovladače brány, ve kterém jsou zapsány úplné detaily návrhu. Kromě toho tento projekt také zapouzdřuje ochranu mikrokontroléru a obvodu během chybových stavů. Výstupem obvodu je 6 PWM pro 3 nohy třífázového měniče.

Krok 1: Recenze literatury

Mnoho aplikací v energetice vyžaduje převod stejnosměrného napětí na střídavé napětí, jako je připojení solárních panelů k národní síti nebo k napájení střídavých zařízení. Této konverze DC na AC je dosaženo pomocí invertorů. Podle typu napájení existují dva typy střídačů: jednofázový střídač a třífázový střídač. Jednofázový měnič bere stejnosměrné napětí jako vstup a převádí jej na jednofázové střídavé napětí, zatímco třífázový měnič převádí stejnosměrné napětí na třífázové střídavé napětí.

Obrázek 1.1: Třífázový měnič

Třífázový měnič využívá 6 tranzistorových spínačů, jak je uvedeno výše, které jsou napájeny signály PWM pomocí obvodů hradlového budiče.

Pro získání třífázového vyváženého výstupu by hradlovací signály střídače měly mít vzájemný fázový rozdíl 120 stupňů. Ke spuštění tohoto obvodu lze použít dva typy řídicích signálů

• 180 stupňů vedení

• 120 stupňů vedení

Režim vedení 180 stupňů

V tomto režimu je každý tranzistor zapnutý o 180 stupňů. A kdykoli zůstanou zapnuté tři tranzistory, v každé větvi jeden tranzistor. V jednom cyklu existuje šest provozních režimů a každý režim funguje po dobu 60 stupňů cyklu. Signály hradel jsou od sebe posunuty fázovým rozdílem 60 stupňů, aby se dosáhlo třífázového vyváženého napájení.

Obrázek 1.2: Vodivost 180 stupňů

Režim vedení 120 stupňů

V tomto režimu je každý tranzistor zapnutý na 120 stupňů. A kdykoli vedou pouze dva tranzistory. Je třeba poznamenat, že kdykoli, v každé větvi, by měl být zapnutý pouze jeden tranzistor. Mezi signály PWM by měl být fázový rozdíl 60 stupňů, aby byl vyvážený třífázový střídavý výstup.

Obrázek 1.3: 120 stupňové vedení

Ovládání mrtvého času

Jedním velmi důležitým opatřením, které je třeba učinit, je, že na jedné noze by neměly být současně zapnuty oba tranzistory, jinak by došlo ke zkratu zdroje stejnosměrného proudu a poškození obvodu. Proto je velmi důležité přidat velmi krátký časový interval mezi zapnutím jednoho tranzistoru a zapnutím druhého tranzistoru.

Krok 2: Blokový diagram

Krok 3: Komponenty

V této části budou představeny podrobnosti o designu, které budou analyzovány.

Seznam komponent

• Optocoupler 4n35

• IC ovladač IR2110

• Tranzistor 2N3904

• Dioda (UF4007)

• Zenerovy diody

• Relé 5V

• A brána 7408

• ATiny85

Optočlen

Pro optickou izolaci mikrokontroléru od zbytku obvodu byl použit optočlen 4n35. Zvolený odpor je založen na vzorci:

Odpor = LedVoltage/CurrentRating

Odpor = 1,35V/13,5mA

Odpor = 100 ohmů

Výstupní odpor působící jako odpor při stahování je 10 kOhm pro správný vývoj napětí.

IR 2110

Jedná se o IC pro řízení brány, který se obvykle používá pro řízení MOSFETů. Jedná se o integrovaný obvod ovladače 500 V s vysokou a nízkou stranou s typickým zdrojem 2,5 A a proudem 2,5 A v 14 integrovaných obalových obalech.

Kondenzátor bootstrapu

Nejdůležitější součástí IC ovladače je bootstrapový kondenzátor. Kondenzátor bootstrap musí být schopen dodávat tento náboj a udržet si své plné napětí, jinak dojde k významnému zvlnění napětí Vbs, které by mohlo klesnout pod blokování podpětí Vbsuv a způsobit, že výstup HO přestane fungovat. Proto musí být náboj v kondenzátoru Cbs minimálně dvojnásobek výše uvedené hodnoty. Minimální hodnotu kondenzátoru lze vypočítat z níže uvedené rovnice.

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

Zatímco

Vf = Pokles napětí vpřed přes zaváděcí diodu

VLS = Pokles napětí na nízkoúrovňovém FET (nebo zátěž pro high side driver)

VMin = minimální napětí mezi VB a VS

Qg = hradlový náboj FET na vysoké straně

F = Frekvence provozu

Icbs (únik) = svodový proud kondenzátoru bootstrapu

Qls = poplatek za posun úrovně vyžadovaný na cyklus

Vybrali jsme hodnotu 47uF.

Tranzistor 2N3904

2N3904 je běžný bipolární tranzistor NPN používaný pro všeobecné použití v nízkoenergetických zesilovacích nebo spínacích aplikacích. Při použití jako zesilovač zvládne proud 200 mA (absolutní maximum) a frekvence až 100 MHz.

Dioda (UF4007)

K zajištění podstatně nižší kapacity diody (Ct) je použit polovodič typu I s vysokým odporem. Výsledkem je, že diody PIN fungují jako variabilní odpor s dopředným předpětím a chovají se jako kondenzátor s reverzním předpětím. Díky vysokofrekvenčním charakteristikám (nízká kapacita zajišťuje minimální účinek signálních vedení) jsou vhodné pro použití jako variabilní odporové prvky v celé řadě aplikací, včetně atenuátorů, vysokofrekvenčního přepínání signálu (tj. Mobilních telefonů vyžadujících anténu) a obvodů AGC.

Zenerova dioda

Zenerova dioda je zvláštní typ diody, která na rozdíl od normální umožňuje proudění proudu nejen z její anody na katodu, ale také v opačném směru, když je dosaženo Zenerova napětí. Používá se jako regulátor napětí. Zenerovy diody mají vysoce dopovaný přechod p-n. Normální diody se také rozpadnou s opačným napětím, ale napětí a ostrost kolena nejsou tak definované jako u Zenerovy diody. Normální diody také nejsou navrženy tak, aby fungovaly v oblasti poruchy, ale Zenerovy diody mohou v této oblasti spolehlivě fungovat.

Relé

Relé jsou spínače, které otevírají a zavírají obvody elektromechanicky nebo elektronicky. Relé ovládají jeden elektrický obvod rozepnutím a sepnutím kontaktů v jiném obvodu. Když je kontakt relé normálně rozepnutý (NO), dojde k rozepnutí kontaktu, když relé není pod napětím. Když je kontakt relé normálně sepnut (NC), dojde k sepnutí kontaktu, když relé není pod napětím. V každém případě použití elektrického proudu na kontakty změní jejich stav

A BRÁNA 7408

Logická AND brána je typ digitální logické brány, jejíž výstup jde HIGH na logickou úroveň 1, když jsou všechny její vstupy VYSOKÉ

ATiny85

Jedná se o nízkoenergetický 8bitový mikroprocesor Microchip AVR RISC kombinující 8KB ISP paměť, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 linek I/O pro obecné použití, 32 univerzálních pracovních registrů, jeden 8bitový časovač/čítač s porovnávacími režimy, jeden 8bitový vysokorychlostní časovač/čítač, USI, interní a externí přerušení, 4kanálový 10bitový A/D převodník.

Krok 4: Práce a obvod vysvětlen

V této části bude podrobně vysvětleno fungování obvodu.

Generace PWM

PWM byl generován z mikrokontroléru STM. TIM3, TIM4 a TIM5 byly použity ke generování tří PWM s 50 % pracovním cyklem. Fázový posun o 60 stupňů byl začleněn mezi tři PWM pomocí časového zpoždění. Pro signál 50 Hz PWM byla pro výpočet zpoždění použita následující metoda

zpoždění = časové období/60/360

zpoždění = 20 ms ∗ 60/360

zpoždění = 3,3 ms

Izolace mikrokontroléru pomocí optočlenu

Izolace mezi mikrokontrolérem a zbytkem obvodu byla provedena pomocí optočlenu 4n35. Izolační napětí 4n35 je asi 5000 V. Používá se k ochraně mikrokontroléru před zpětnými proudy. Protože mikrokontrolér nemůže nést záporné napětí, používá se proto pro ochranu mikrokontroléru optočlen.

Gate Driving Circuit IR2110 IC ovladače byl použit k zajištění přepínání PWM na MOSFETy. PWM z mikrokontroléru byly poskytnuty na vstupu integrovaného obvodu. Protože IR2110 nemá vestavěnou bránu NOT, je BJT použit jako měnič na pin Lin. Potom dává doplňkové PWM k MOSFETům, které mají být řízeny

Detekce chyb

Modul SemiTeach má 3 chybové piny, které jsou normálně VYSOKÉ při 15 V. Kdykoli dojde k nějaké chybě v obvodu, jeden z kolíků přejde na úroveň LOW. Z důvodu ochrany součástí obvodu musí být obvod během chybových stavů přerušen. Toho bylo dosaženo pomocí AND Gate, mikrokontroléru ATiny85 a 5 V relé. Použití brány AND

Vstupem do brány AND jsou 3 chybové piny, které jsou za normálních podmínek ve VYSOKÉM stavu, takže výstup brány AND je za normálních podmínek VYSOKÝ. Jakmile dojde k chybě, jeden piny přejdou na 0 V, a proto výstup brány AND klesne na NÍZKOU. To lze použít ke kontrole, zda je v obvodu chyba nebo ne. Vcc do brány AND je zajištěno prostřednictvím Zenerovy diody.

Řezání Vcc přes ATiny85

Výstup brány AND je přiveden do mikrokontroléru ATiny85, který generuje přerušení, jakmile dojde k jakékoli chybě. To dále pohání relé, které snižuje Vcc všech komponent kromě ATiny85.

Krok 5: Simulace

Pro simulaci jsme použili PWM z generátoru funkcí v modelu Proteus, nikoli v modelu STMf401, protože na Proteusu není k dispozici. Pro izolaci mezi mikrořadičem a zbytkem obvodu jsme použili Opto-Coupler 4n35. IR2103 se v simulacích používá jako proudový zesilovač, který nám dává doplňkové PWM.

Schematický diagram Schematický diagram je uveden následovně:

High Side Output Tento výstup je mezi HO a Vs. Následující obrázek ukazuje výstup tří vysokých postranních PWM.

Výstup na spodní straně Tento výstup je mezi LO a COM. Následující obrázek ukazuje výstup tří vysokých postranních PWM.

Krok 6: Schéma a rozvržení desky plošných spojů

Bylo ukázáno schéma a rozložení DPS vytvořené na Proteusu

Krok 7: Výsledky hardwaru

Doplňkové PWM

Následující obrázek ukazuje výstup jednoho z IR2110, který je komplementární

PWM fáze A a B

Fáze A a B jsou o 60 stupňů fázově posunuty. Je to ukázáno na obrázku

PWM fáze A a C

Fáze A a C jsou fázově posunuty o -60 stupňů. Je to ukázáno na obrázku

Krok 8: Kódování

Kód byl vyvinut v Atollic TrueStudio. Chcete -li si nainstalovat Atollic, můžete si prohlédnout mé předchozí návody nebo stáhnout online.

Byl přidán kompletní projekt.

Krok 9: Díky

V návaznosti na svou tradici bych chtěl poděkovat členům své skupiny, kteří mi pomohli s dokončením tohoto úžasného projektu.

Doufám, že vám tento návod pomůže.

Toto se odhlašuji:)

S pozdravem

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pákistán