Схема драйвера затвора для трехфазного инвертора: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Этот проект представляет собой схему драйвера для оборудования под названием SemiTeach, которое мы недавно купили для нашего отдела. Отображается изображение устройства.

Подключение этой схемы драйвера к 6 МОП-транзисторам генерирует три напряжения переменного тока со сдвигом на 120 градусов. Диапазон для устройства SemiTeach составляет 600 В. Устройство также имеет встроенные выходные клеммы ошибок, которые выдают низкое состояние при обнаружении ошибки на любой из трех фаз.

Инверторы обычно используются в электроэнергетике для преобразования напряжения постоянного тока многих источников генерации в напряжение переменного тока для эффективной передачи и распределения. Кроме того, они также используются для извлечения энергии из серии источников бесперебойного питания (ИБП). Инверторам нужна схема драйвера затвора для управления переключателями силовой электроники, используемыми в схеме для преобразования. Есть много типов стробирующих сигналов, которые могут быть реализованы. В следующем отчете обсуждается конструкция и реализация схемы драйвера затвора для трехфазного инвертора с проводимостью 180 градусов. В этом отчете основное внимание уделяется конструкции схемы драйвера затвора, в которой записаны все детали конструкции. Кроме того, в этом проекте также предусмотрена защита микроконтроллера и схемы во время возникновения ошибок. На выходе схемы 6 ШИМ на 3 ножки трехфазного инвертора.

Шаг 1. Обзор литературы

Многие приложения в электроэнергетике требуют преобразования постоянного напряжения в переменное, например, для подключения солнечных панелей к национальной сети или для питания устройств переменного тока. Это преобразование постоянного тока в переменный достигается с помощью инверторов. В зависимости от типа источника питания существует два типа инверторов: однофазный инвертор и трехфазный инвертор. Однофазный инвертор принимает напряжение постоянного тока в качестве входа и преобразует его в однофазное напряжение переменного тока, в то время как преобразователь трехфазного инвертора преобразует напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока.

Рисунок 1.1: Трехфазный инвертор

Трехфазный инвертор использует 6 транзисторных переключателей, как показано выше, которые управляются сигналами ШИМ с использованием схем управления затвором.

Стробирующие сигналы инвертора должны иметь разность фаз 120 градусов относительно друг друга для получения трехфазного симметричного выхода. Для работы этой схемы могут применяться два типа управляющих сигналов.

• проводимость 180 градусов

• проводимость 120 градусов

Режим проводимости 180 градусов

В этом режиме каждый транзистор включен на 180 градусов. И в любой момент три транзистора остаются включенными, по одному транзистору в каждой ветви. В одном цикле есть шесть режимов работы, и каждый режим работает для 60 градусов цикла. Стробирующие сигналы сдвинуты друг от друга на разность фаз в 60 градусов, чтобы получить трехфазное сбалансированное питание.

Рисунок 1.2: проводимость 180 градусов

Режим проводимости 120 градусов

В этом режиме каждый транзистор включен на 120 градусов. И в любой момент проводят только два транзистора. Следует отметить, что в любой момент в каждой ветви должен быть включен только один транзистор. Между сигналами ШИМ должна быть разность фаз в 60 градусов, чтобы получить сбалансированный трехфазный выход переменного тока.

Рисунок 1.3: проводимость 120 градусов

Контроль мертвого времени

Одна очень важная мера предосторожности заключается в том, что в одной ветви оба транзистора не должны быть включены одновременно, в противном случае произойдет короткое замыкание источника постоянного тока и цепь будет повреждена. Следовательно, очень важно добавить очень короткий интервал времени между выключением одного транзистора и включением другого транзистора.

Шаг 2: блок-схема

Шаг 3: Компоненты

В этом разделе будут представлены и проанализированы детали дизайна.

Список компонентов

• Оптопара 4н35

• ИС драйвера IR2110

• Транзистор 2N3904

• Диод (UF4007)

• Стабилитроны

• Реле 5В

• Выход AND 7408

• ATiny85

Оптопара

Оптрон 4n35 используется для оптической изоляции микроконтроллера от остальной схемы. Выбранное сопротивление основывается на формуле:

Сопротивление = LedVoltage / CurrentRating

Сопротивление = 1,35 В / 13,5 мА

Сопротивление = 100 Ом

Выходное сопротивление, действующее как понижающее сопротивление, составляет 10 кОм для правильного развития напряжения на нем.

ИК 2110

Это ИС управления затвором, обычно используемая для управления полевыми МОП-транзисторами. Это ИС драйвера на стороне высокого и низкого напряжения на 500 В с типичным источником 2,5 А и токами стока 2,5 А в корпусе ИС с 14 выводами.

Конденсатор начальной загрузки

Самым важным компонентом микросхемы драйвера является конденсатор начальной загрузки. Конденсатор начальной загрузки должен обеспечивать этот заряд и сохранять свое полное напряжение, в противном случае будет значительная пульсация напряжения Vbs, которая может упасть ниже блокировки пониженного напряжения Vbsuv и привести к прекращению работы выхода HO. Следовательно, заряд конденсатора Cbs должен быть минимум вдвое выше указанного выше значения. Минимальное значение емкости конденсатора можно рассчитать по приведенному ниже уравнению.

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

В то время как

Vf = прямое падение напряжения на бутстрап-диоде

VLS = падение напряжения на полевом транзисторе нижней стороны (или нагрузке для драйвера высокой стороны)

VMin = минимальное напряжение между VB и VS

Qg = заряд затвора полевого транзистора верхнего плеча

F = частота работы

Icbs (утечка) = ток утечки начального конденсатора

Qls = плата за смену уровня, требуемая за цикл

Мы выбрали значение 47 мкФ.

Транзистор 2Н3904

2N3904 - это обычный NPN-транзистор с биполярным переходом, используемый для маломощных усилительных или коммутационных приложений общего назначения. Он может выдерживать ток 200 мА (абсолютный максимум) и частоты до 100 МГц при использовании в качестве усилителя.

Диод (UF4007)

Полупроводник I-типа с высоким сопротивлением используется для обеспечения значительно более низкой емкости диода (Ct). В результате PIN-диоды действуют как переменный резистор с прямым смещением и ведут себя как конденсатор с обратным смещением. Высокочастотные характеристики (низкая емкость обеспечивает минимальное влияние сигнальных линий) делают их пригодными для использования в качестве элементов переменного резистора в самых разных приложениях, включая аттенюаторы, переключение высокочастотных сигналов (например, мобильные телефоны, требующие антенны) и схемы АРУ.

Стабилитрон

Стабилитрон - это особый тип диода, который, в отличие от обычного, позволяет току течь не только от анода к катоду, но и в обратном направлении, когда достигается напряжение стабилитрона. Используется как регулятор напряжения. Стабилитроны имеют сильно легированный p-n переход. Обычные диоды также будут выходить из строя при обратном напряжении, но напряжение и резкость изгиба не так хорошо определены, как для стабилитрона. Также нормальные диоды не предназначены для работы в области пробоя, но стабилитроны могут надежно работать в этой области.

Реле

Реле - это переключатели, которые размыкают и замыкают цепи электромеханическим или электронным способом. Реле управляют одной электрической цепью, размыкая и замыкая контакты в другой цепи. Когда контакт реле нормально разомкнут (NO), есть разомкнутый контакт, когда реле не находится под напряжением. Когда контакт реле является нормально замкнутым (NC), это замкнутый контакт, когда реле не находится под напряжением. В любом случае подача электрического тока на контакты изменит их состояние.

И ВОРОТА 7408

Логический элемент И - это тип цифрового логического элемента, выход которого переходит от ВЫСОКОГО уровня до логического уровня 1, когда все его входы имеют ВЫСОКИЙ уровень.

ATiny85

Это маломощный микроконтроллер Microchip на базе 8-битного AVR RISC, объединяющий 8 КБ флэш-памяти ISP, 512 Б EEPROM, 512-байтовую SRAM, 6 линий ввода-вывода общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, один 8-битный таймер / счетчик. с режимами сравнения, один 8-битный высокоскоростной таймер / счетчик, USI, внутренние и внешние прерывания, 4-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь.

Шаг 4: объяснение работы и схемы

В этом разделе будет подробно объяснена работа схемы.

Генерация ШИМ

ШИМ был сгенерирован микроконтроллером STM. TIM3, TIM4 и TIM5 использовались для генерации трех ШИМ с 50-процентным рабочим циклом. Фазовый сдвиг на 60 градусов был включен между тремя ШИМ с использованием временной задержки. Для сигнала ШИМ 50 Гц для расчета задержки использовался следующий метод.

задержка = TimePeriod ∗ 60/360

задержка = 20 мс * 60/360

задержка = 3,3 мс

Изоляция микроконтроллера с помощью оптопары

Изоляция между микроконтроллером и остальной схемой выполнена с помощью оптрона 4n35. Напряжение изоляции 4n35 составляет около 5000 В. Он используется для защиты микроконтроллера от обратных токов. Поскольку микроконтроллер не выдерживает отрицательного напряжения, для защиты микроконтроллера используется оптрон.

Схема управления затвором ИС драйвера IR2110 использовалась для обеспечения переключения ШИМ на полевые МОП-транзисторы. ШИМ от микроконтроллера были обеспечены на входе IC. Поскольку IR2110 не имеет встроенного логического элемента NOT, поэтому BJT используется как инвертор для вывода Lin. Затем он передает дополнительные ШИМ на полевые МОП-транзисторы, которые должны управляться.

Обнаружение ошибок

Модуль SemiTeach имеет 3 контакта ошибки, которые обычно имеют ВЫСОКИЙ уровень при 15 В. При возникновении какой-либо ошибки в цепи один из контактов переходит на НИЗКИЙ уровень. Для защиты компонентов схемы цепь должна быть отключена при возникновении ошибки. Это было достигнуто с помощью логического элемента AND, микроконтроллера ATiny85 и реле на 5 В. Использование AND Gate

Вход логического элемента И - это 3 вывода ошибки, которые в нормальном состоянии находятся в ВЫСОКОМ состоянии, поэтому выход логического элемента И в нормальных условиях имеет ВЫСОКИЙ уровень. Как только возникает ошибка, один из выводов переходит в 0 В и, следовательно, на выходе логического элемента И становится НИЗКИЙ. Это можно использовать для проверки наличия ошибки в цепи. Vcc для логического элемента AND обеспечивается через стабилитрон.

Обрезка Vcc через ATiny85

Выходной сигнал логического элемента AND подается на микроконтроллер ATiny85, который генерирует прерывание при возникновении ошибки. Это дополнительно управляет реле, которое отключает Vcc всех компонентов, кроме ATiny85.

Шаг 5: Моделирование

Для моделирования мы использовали ШИМ из генератора функций в Proteus, а не в модели STMf401, поскольку он недоступен в Proteus. Мы использовали оптопару 4n35 для изоляции между микроконтроллером и остальной частью схемы. IR2103 используется в моделировании как усилитель тока, который дает нам дополнительные ШИМ.

Принципиальная схема Принципиальная схема представлена следующим образом:

Выходной сигнал на стороне высокого давления Этот выходной сигнал находится между HO и Vs. На следующем рисунке показан выходной сигнал трех ШИМ верхнего плеча.

Выход нижнего уровня Этот выход находится между LO и COM. На следующем рисунке показан выходной сигнал трех ШИМ на стороне высокого напряжения.

Шаг 6: Схема и компоновка печатной платы

Схема и макет печатной платы, созданные на Proteus, были показаны.

Шаг 7: Результаты оборудования

Дополнительные ШИМ

На следующем рисунке показан выход одного из IR2110, который является дополнительным.

ШИМ фазы A и B

Фазы A и B сдвинуты по фазе на 60 градусов. Это показано на рисунке

ШИМ фазы A и C

Фазы A и C сдвинуты по фазе на -60 градусов. Это показано на рисунке

Шаг 8: кодирование

Код был разработан в Atollic TrueStudio. Чтобы установить Atollic, вы можете просмотреть мои предыдущие руководства или загрузить их в Интернете.

Добавлен полный проект.

Шаг 9: Спасибо

Следуя своей традиции, я хотел бы поблагодарить членов моей группы, которые помогли мне завершить этот замечательный проект.

Надеюсь, это руководство поможет вам.

Это я подписываюсь:)

С уважением

Тахир Уль Хак

EE, UET LHR Пакистан