Как спроектировать и реализовать однофазный инвертор: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

В этом руководстве рассматривается использование CMIC Dialog GreenPAK ™ в приложениях силовой электроники и демонстрируется реализация однофазного инвертора с использованием различных методологий управления. Для определения качества однофазного инвертора используются разные параметры. Важным параметром является полное гармоническое искажение (THD). THD - это измерение гармонических искажений в сигнале, которое определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических составляющих к мощности основной частоты.

Ниже мы описали шаги, необходимые для понимания того, как было запрограммировано решение для создания однофазного инвертора. Однако, если вы просто хотите получить результат программирования, загрузите программное обеспечение GreenPAK, чтобы просмотреть уже заполненный файл дизайна GreenPAK. Подключите GreenPAK Development Kit к компьютеру и запустите программу для создания однофазного инвертора.

Шаг 1: Однофазный инвертор

Инвертор мощности или инвертор - это электронное устройство или схема, которая преобразует постоянный ток (DC) в переменный ток (AC). В зависимости от количества фаз на выходе переменного тока существует несколько типов инверторов.

● Однофазные инверторы

● Трехфазные инверторы

Постоянный ток - это однонаправленный поток электрического заряда. Если постоянное напряжение подается на чисто резистивную цепь, это приводит к постоянному току. По сравнению с переменным током, электрический ток периодически меняет полярность. Наиболее типичная форма волны переменного тока - это синусоидальная волна, но она также может быть треугольной или прямоугольной. Для передачи электроэнергии с разными профилями тока требуются специальные устройства. Устройства, преобразующие переменный ток в постоянный, известны как выпрямители, а устройства, преобразующие постоянный ток в переменный ток, известны как инверторы.

Шаг 2: Топологии однофазного инвертора

Есть две основные топологии однофазных инверторов; полумостовые и полномостовые топологии. В этом примечании по применению основное внимание уделяется полумостовой топологии, поскольку она обеспечивает вдвое большее выходное напряжение по сравнению с полумостовой топологией.

Шаг 3. Топология полного моста

В полномостовой топологии необходимо 4 переключателя, поскольку переменное выходное напряжение получается разницей между двумя ветвями коммутационных ячеек. Выходное напряжение получается путем интеллектуального включения и выключения транзисторов в определенные моменты времени. Есть четыре различных состояния в зависимости от того, какие переключатели замкнуты. В таблице ниже приведены состояния и выходное напряжение в зависимости от того, какие переключатели замкнуты.

Чтобы максимизировать выходное напряжение, основная составляющая входного напряжения на каждой ветви должна быть сдвинута по фазе на 180º. Полупроводники каждой ветви дополняют друг друга по характеристикам, то есть, когда один из них проводит, другой отключается, и наоборот. Эта топология наиболее широко используется для инверторов. На схеме на рисунке 1 показана схема полномостовой топологии однофазного инвертора.

Шаг 4: биполярный транзистор с изолированным затвором

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) похож на полевой МОП-транзистор с добавлением третьего PN-перехода. Это позволяет управлять на основе напряжения, как MOSFET, но с выходными характеристиками, такими как BJT, в отношении высоких нагрузок и низкого напряжения насыщения.

По его статическому поведению можно наблюдать четыре основных области.

● Лавинный район

● Область насыщенности.

● Площадь вырезания

● Активная область

Область лавины - это область, когда прикладывается напряжение ниже напряжения пробоя, что приводит к разрушению IGBT. Область среза включает значения от напряжения пробоя до порогового напряжения, при котором IGBT не проводит ток. В области насыщения IGBT ведет себя как зависимый источник напряжения и последовательное сопротивление. При небольших изменениях напряжения можно добиться высокого усиления тока. Эта зона наиболее желательна для эксплуатации. Если напряжение увеличивается, IGBT входит в активную область, а ток остается постоянным. К IGBT приложено максимальное напряжение, чтобы гарантировать, что он не попадет в зону схода лавины. Это один из наиболее часто используемых полупроводников в силовой электронике, поскольку он может поддерживать широкий диапазон напряжений от нескольких вольт до кВ и мощности от кВт до МВт.

Эти биполярные транзисторы с изолированным затвором действуют как переключающие устройства для однофазной топологии инвертора с полным мостом.

Шаг 5: Блок широтно-импульсной модуляции в GreenPAK

Блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - полезный блок, который можно использовать в широком диапазоне приложений. Блок DCMP / PWM можно настроить как блок PWM. Блок PWM может быть получен через FSM0 и FSM1. Вывод PWM IN + подключен к FSM0, а вывод IN- подключен к FSM1. И FSM0, и FSM1 предоставляют 8-битные данные в блок PWM. Период времени ШИМ определяется периодом времени FSM1. Рабочий цикл блока ШИМ управляется FSM0.

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

Есть два варианта конфигурации рабочего цикла:

● 0-99,6%: постоянный ток находится в диапазоне от 0% до 99,6% и определяется как IN + / 256.

● 0,39–100%: постоянный ток находится в диапазоне от 0,39% до 100% и определяется как (IN + + 1) / 256.

Шаг 6: Дизайн GreenPAK для реализации прямоугольной волны на основе ШИМ

Существуют различные методики управления, которые можно использовать для реализации однофазного инвертора. Одна из таких стратегий управления включает прямоугольный сигнал на основе ШИМ для однофазного инвертора.

CMIC GreenPAK используется для генерации периодических шаблонов переключения для удобного преобразования постоянного тока в переменный. Напряжение постоянного тока подается от батареи, а выходной сигнал инвертора может использоваться для питания нагрузки переменного тока. Для целей данного примечания по применению частота переменного тока была установлена на 50 Гц, что является обычной частотой электросети в домашних условиях во многих частях мира. Соответственно период 20мс.

Шаблон переключения, который должен генерироваться GreenPAK для SW1 и SW4, показан на рисунке 3.

Схема переключения для SW2 и SW3 показана на рисунке 4.

Вышеупомянутые шаблоны переключения могут быть удобно получены с использованием блока ШИМ. Период времени ШИМ устанавливается периодом времени FSM1. Период времени для FSM1 должен быть установлен на 20 мсек, что соответствует частоте 50 Гц. Рабочий цикл для блока PWM контролируется данными, полученными от FSM0. Для создания рабочего цикла 50% значение счетчика FSM0 установлено равным 128.

Соответствующий дизайн GreenPAK показан на рисунке 5.

Шаг 7: Недостатки стратегии управления прямоугольной волной

Использование стратегии управления прямоугольной волной заставляет инвертор генерировать большое количество гармоник. Помимо основной частоты, преобразователи прямоугольной формы имеют нечетные частотные составляющие. Эти гармоники вызывают насыщение магнитного потока машины, что приводит к снижению производительности машины, а иногда даже к повреждению оборудования. Следовательно, THD, создаваемый этими типами инверторов, очень велик. Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать другую стратегию управления, известную как квазипрямоугольная волна, чтобы значительно уменьшить количество гармоник, производимых инвертором.

Шаг 8: Разработка GreenPAK для реализации квазипрямоугольной волны на основе ШИМ

В стратегии управления квазипрямоугольным сигналом вводится нулевое выходное напряжение, которое может значительно уменьшить гармоники, присутствующие в обычном прямоугольном сигнале. Основные преимущества использования квазипрямоугольного инвертора:

● Амплитуду основной составляющей можно контролировать (контролируя α)

● Некоторые гармонические составляющие могут быть устранены (в том числе путем управления α)

Амплитудой основной составляющей можно управлять, контролируя значение α, как показано в Формуле 1.

N-я гармоника может быть устранена, если ее амплитуда сделать нулевой. Например, амплитуда третьей гармоники (n = 3) равна нулю при α = 30 ° (Формула 2).

Схема GreenPAK для реализации стратегии управления квазипрямоугольной волной показана на рисунке 9.

Блок ШИМ используется для генерации прямоугольного сигнала с рабочим циклом 50%. Нулевое выходное напряжение вводится путем задержки напряжения, появляющегося на выходе Pin-15. Блок P-DLY1 настроен на обнаружение нарастающего фронта сигнала. P-DLY1 будет периодически обнаруживать нарастающий фронт после каждого периода и запускать блок DLY-3, который производит задержку в 2 мс перед синхронизацией VDD через D-триггер для включения выхода Pin-15.

Контакт 15 может вызвать включение как SW1, так и SW4. Когда это произойдет, на нагрузке появится положительное напряжение.

Механизм обнаружения нарастающего фронта P-DLY1 также активирует блок DLY-7, который через 8 мс сбрасывает D-триггер, и на выходе появляется 0 В.

DLY-8 и DLY-9 также запускаются по одному и тому же нарастающему фронту. DLY-8 производит задержку 10 мс и снова запускает DLY-3, который через 2 мс синхронизирует DFF, вызывая логический высокий уровень на двух вентилях AND.

В этот момент Out + из блока PWM становится 0, так как рабочий цикл блока был настроен на 50%. Out- появится на контакте 16, заставляя переключатели SW2 и SW3 включаться, создавая переменное напряжение на нагрузке. Через 18 мс DLY-9 сбросит DFF, и на контакте 16 появится 0 В, и периодический цикл продолжит выводить сигнал переменного тока.

Конфигурация для различных блоков GreenPAK показана на рисунках 10-14.

Шаг 9: Результаты

Напряжение 12 В постоянного тока подается от аккумулятора на инвертор. Инвертор преобразует это напряжение в форму волны переменного тока. Выходной сигнал инвертора подается на повышающий трансформатор, который преобразует напряжение 12 В переменного тока в 220 В, которое может использоваться для управления нагрузками переменного тока.

Заключение

В этом руководстве мы реализовали однофазный инвертор с использованием стратегий управления прямоугольной и квазипрямоугольной формы с использованием GreenPAK CMIC. CMIC GreenPAK действуют как удобная замена микроконтроллерам и аналоговым схемам, которые обычно используются для реализации однофазных инверторов. Кроме того, CMIC GreenPAK могут использоваться в конструкции трехфазных инверторов.