Ako navrhnúť a implementovať jednofázový menič: 9 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Tento inštruktážny program sa zameriava na použitie CMIC Dialogu GreenPAK ™ v aplikáciách výkonovej elektroniky a predvedie implementáciu jednofázového meniča pomocou rôznych metodík riadenia. Na určenie kvality jednofázového meniča sa používajú rôzne parametre. Dôležitým parametrom je celkové harmonické skreslenie (THD). THD je meranie harmonického skreslenia v signáli a je definované ako pomer súčtu výkonov všetkých harmonických zložiek k výkonu základnej frekvencie.

Ďalej sme popísali potrebné kroky, aby ste pochopili, ako bolo riešenie naprogramované na vytvorenie jednofázového meniča. Ak však chcete získať iba výsledok programovania, stiahnite si softvér GreenPAK a zobrazte už dokončený súbor návrhu GreenPAK. Pripojte vývojovú súpravu GreenPAK k počítaču a spustením programu vytvorte jednofázový menič.

Krok 1: Jednofázový menič

Menič napájania alebo menič je elektronické zariadenie alebo obvod, ktorý mení jednosmerný prúd (DC) na striedavý prúd (AC). V závislosti od počtu fáz výstupu striedavého prúdu existuje niekoľko typov meničov.

● Jednofázové meniče

● Trojfázové meniče

DC je jednosmerný tok elektrického náboja. Ak je na čisto odporový obvod aplikované konštantné napätie, výsledkom je konštantný prúd. Porovnateľne pri striedavom prúde tok elektrického prúdu periodicky obracia polaritu. Najtypickejším tvarom vlny AC je sínusová vlna, ale môže to byť aj trojuholníková alebo štvorcová vlna. Na prenos elektrickej energie s rôznymi prúdovými profilmi sú potrebné špeciálne zariadenia. Zariadenia, ktoré prevádzajú striedavý prúd na jednosmerný prúd, sú známe ako usmerňovače a zariadenia, ktoré prevádzajú jednosmerný prúd na striedavý prúd, sa nazývajú invertory.

Krok 2: Topológie jednofázového meniča

Existujú dve hlavné topológie jednofázových meničov; topológie polo-mostíka a mosta. Táto aplikačná poznámka sa zameriava na topológiu s plným mostom, pretože poskytuje dvojnásobné výstupné napätie v porovnaní s topológiou s polovičným mostom.

Krok 3: Topológia úplného premostenia

V topológii s plným mostom sú potrebné 4 prepínače, pretože striedavé výstupné napätie je získané rozdielom medzi dvoma vetvami spínacích článkov. Výstupné napätie sa získava inteligentným zapínaním a vypínaním tranzistorov v konkrétnych časových okamihoch. Existujú štyri rôzne stavy v závislosti od toho, ktoré prepínače sú zatvorené. Nasledujúca tabuľka sumarizuje stavy a výstupné napätie, na základe ktorých sú spínače zopnuté.

Aby sa maximalizovalo výstupné napätie, základná zložka vstupného napätia na každej vetve musí byť 180 ° mimo fázy. Polovodiče každej vetvy sú výkonovo komplementárne, to znamená, že keď jeden vedie druhý, je prerušený a naopak. Táto topológia je najpoužívanejšia pre meniče. Diagram na obrázku 1 zobrazuje obvod topológie plného mosta pre jednofázový menič.

Krok 4: Bipolárny tranzistor s izolovanou bránou

Bipolárny tranzistor s izolovanou bránou (IGBT) je ako MOSFET s pridaním tretej PN spojky. To umožňuje riadenie na základe napätia, ako napríklad MOSFET, ale s výstupnými charakteristikami ako BJT, pokiaľ ide o vysoké zaťaženia a nízke saturačné napätie.

Na jeho statickom správaní je možné pozorovať štyri hlavné oblasti.

● Lavínový región

● Saturation Region

● Rezaná plocha

● Aktívny región

Lavínová oblasť je oblasť, kde je aplikované napätie nižšie ako prierazné napätie, čo má za následok zničenie IGBT. Oblasť rezu obsahuje hodnoty od prierazného napätia až po prahové napätie, pričom IGBT nevedie. V oblasti nasýtenia sa IGBT správa ako závislý zdroj napätia a sériový odpor. S nízkymi variáciami napätia je možné dosiahnuť vysoké zosilnenie prúdu. Táto oblasť je pre prevádzku najžiadanejšia. Ak sa napätie zvýši, IGBT vstúpi do aktívnej oblasti a prúd zostane konštantný. Na IGBT je aplikované maximálne napätie, aby sa zabezpečilo, že sa nedostane do lavínovej oblasti. Jedná sa o jeden z najpoužívanejších polovodičov vo výkonovej elektronike, pretože môže podporovať široký rozsah napätí od niekoľkých voltov po kV a výkony medzi kW a MW.

Tieto bipolárne tranzistory s izolovanou bránou slúžia ako spínacie zariadenia pre jednofázovú topológiu jednofázových invertorov s plným mostom.

Krok 5: Modulačný blok šírky impulzu v GreenPAK

Blok modulácie pulznej šírky (PWM) je užitočný blok, ktorý je možné použiť pre široké spektrum aplikácií. Blok DCMP/PWM je možné nakonfigurovať ako blok PWM. Blok PWM je možné získať prostredníctvom FSM0 a FSM1. Pin PWM IN+ je pripojený k FSM0, zatiaľ čo IN-pin je pripojený k FSM1. FSM0 aj FSM1 poskytujú 8-bitové údaje do bloku PWM. Časové obdobie PWM je definované časovým obdobím FSM1. Pracovný cyklus pre blok PWM je riadený systémom FSM0.

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

Existujú dve možnosti konfigurácie pracovného cyklu:

● 0-99,6%: DC sa pohybuje od 0% do 99,6% a je určené ako IN+/256.

● 0,39-100%: DC sa pohybuje od 0,39% do 100% a je určené ako (IN + + 1)/256.

Krok 6: Návrh GreenPAK na implementáciu štvorcovej vlny založenej na PWM

Na implementáciu jednofázového meniča je možné použiť rôzne metodiky riadenia. Jedna taká stratégia riadenia zahŕňa štvorcovú vlnu na báze PWM pre jednofázový menič.

GreenPAK CMIC sa používa na generovanie periodických spínacích vzorov na pohodlnú konverziu DC na AC. Jednosmerné napätie je napájané z batérie a výstup získaný z meniča je možné použiť na napájanie striedavého prúdu. Na účely tejto prihlášky bola frekvencia striedavého prúdu nastavená na 50 Hz, čo je bežná frekvencia napájania domácností v mnohých častiach sveta. Obdobie je 20 ms.

Schéma prepínania, ktorú musí GreenPAK vygenerovať pre SW1 a SW4, je znázornená na obrázku 3.

Schéma spínania pre SW2 a SW3 je znázornená na obrázku 4

Vyššie uvedené spínacie vzorce je možné pohodlne vytvoriť pomocou bloku PWM. Časové obdobie PWM je určené časovým obdobím FSM1. Časové obdobie pre FSM1 musí byť nastavené na 20 ms, čo zodpovedá frekvencii 50 Hz. Pracovný cyklus pre blok PWM je riadený údajmi získanými z FSM0. Aby sa vygeneroval 50% pracovný cyklus, hodnota počítadla FSM0 je nastavená na 128.

Zodpovedajúci dizajn GreenPAK je znázornený na obrázku 5.

Krok 7: Nevýhoda stratégie riadenia štvorcových vĺn

Použitie stratégie riadenia štvorcových vĺn spôsobuje, že menič vytvára veľké množstvo harmonických. Okrem základnej frekvencie majú meniče štvorcovej vlny nepárne frekvenčné zložky. Tieto harmonické spôsobujú nasýtenie toku stroja, čo vedie k zlému výkonu stroja, niekedy dokonca k poškodeniu hardvéru. Preto je THD produkované týmito typmi meničov veľmi veľké. Na vyriešenie tohto problému je možné použiť inú riadiacu stratégiu známu ako Quasi Square Wave, ktorá výrazne zníži množstvo harmonických produkovaných meničom.

Krok 8: Návrh GreenPAK na implementáciu kvázi-štvorcových vĺn založených na PWM

V stratégii riadenia kvázi-štvorcových vĺn je zavedené nulové výstupné napätie, ktoré môže výrazne znížiť harmonické prítomné v konvenčnom štvorcovom tvare vlny. Medzi hlavné výhody použitia kvázi-štvorcového vlnového meniča patria:

● Amplitúdu základnej zložky je možné ovládať (ovládaním α)

● Určité harmonické obsahy je možné eliminovať (aj riadením α)

Amplitúdu základnej zložky je možné ovládať riadením hodnoty α, ako je znázornené vo vzorci 1.

N -tú harmonickú možno eliminovať, ak je jej amplitúda nulová. Napríklad amplitúda tretej harmonickej (n = 3) je nulová, keď α = 30 ° (vzorec 2).

Návrh GreenPAK na implementáciu stratégie riadenia Quasi Square Wave je znázornený na obrázku 9.

Blok PWM sa používa na generovanie štvorcového tvaru vlny s 50 % pracovným cyklom. Nulové výstupné napätie je zavedené oneskorením napätia, ktoré sa objavuje na výstupe Pin-15. Blok P-DLY1 je nakonfigurovaný tak, aby detekoval stúpajúcu hranu priebehu. P-DLY1 bude periodicky detekovať stúpajúcu hranu po každom období a spustí blok DLY-3, ktorý produkuje oneskorenie 2 ms pred taktovaním VDD cez D-flip flop, aby sa umožnil výstup Pin-15.

Pin-15 môže spôsobiť zapnutie SW1 aj SW4. Keď k tomu dôjde, na záťaži sa objaví kladné napätie.

Mechanizmus detekcie stúpajúcej hrany P-DLY1 tiež aktivuje blok DLY-7, ktorý po 8 ms resetuje klopný obvod D a na výstupe sa objaví 0 V.

DLY-8 a DLY-9 sú tiež aktivované z rovnakej stúpajúcej hrany. DLY-8 produkuje oneskorenie 10 ms a znova spustí DLY-3, ktorý po 2 ms bude taktovať DFF, čo spôsobí logické maximum cez dve brány AND.

V tomto okamihu sa Out+ z bloku PWM stane 0, pretože pracovný cyklus bloku bol nakonfigurovaný na 50 %. Na Pin-16 sa objaví Out-, čo spôsobí zapnutie SW2 a SW3 a vytváranie striedavého napätia v záťaži. Po 18 ms sa DLY-9 resetuje, DFF a 0V sa objaví na Pin-16 a periodický cyklus pokračuje vo výstupe signálu striedavého prúdu.

Konfigurácia pre rôzne bloky GreenPAK je znázornená na obrázkoch 10-14.

Krok 9: Výsledky

Napätie 12 V DC je dodávané z batérie do meniča. Menič prevádza toto napätie na priebeh striedavého prúdu. Výstup z meniča je vedený do zosilneného transformátora, ktorý prevádza napätie 12 V AC na 220 V, ktoré je možné použiť na pohon striedavých záťaží.

Záver

V tomto návode sme implementovali jednofázový invertor využívajúci stratégie riadenia Square Wave a Quasi Square Wave pomocou GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMIC fungujú ako praktická náhrada mikrořadičov a analógových obvodov, ktoré sa bežne používajú na implementáciu jednofázového meniča. Navyše, GreenPAK CMIC majú potenciál pri konštrukcii trojfázových meničov.