Okruh ovládača brány pre trojfázový menič: 9 krokov

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:06

Tento projekt je v podstate obvodom vodiča pre zariadenie s názvom SemiTeach, ktoré sme nedávno kúpili pre naše oddelenie. Zobrazí sa obrázok zariadenia.

Pripojením tohto obvodu ovládača k 6 mosfetom sa generujú tri 120 stupňové striedavé napätie. Rozsah je 600 V pre zariadenie SemiTeach. Zariadenie má tiež vstavané chybové výstupné terminály, ktoré poskytujú nízky stav pri zistení chyby v ktorejkoľvek z troch fáz

Invertory sa bežne používajú v energetike na premenu jednosmerného napätia mnohých generačných zdrojov na striedavé napätie na efektívny prenos a distribúciu. Kožušinové termore, používajú sa tiež na získavanie energie z radu UPS (Uninterruptable Power Series). Invertory potrebujú obvod ovládača brány na pohon prepínačov výkonovej elektroniky použitých v obvode na konverziu. Existuje mnoho typov signálov brány, ktoré je možné implementovať. Nasledujúca správa pojednáva o návrhu a implementácii obvodu ovládača brány pre trojfázový menič využívajúci vedenie 180 stupňov. Táto správa sa zameriava na návrh obvodu ovládača brány, v ktorom sú zapísané úplné detaily návrhu. Tento projekt ďalej zapuzdruje ochranu mikrokontroléra a obvodu počas chybových stavov. Výstupom obvodu je 6 PWM pre 3 vetvy trojfázového meniča.

Krok 1: Prehľad literatúry

Mnoho aplikácií v energetike vyžaduje konverziu jednosmerného napätia na striedavé napätie, ako je pripojenie solárnych panelov k národnej sieti alebo k napájaniu zariadení striedavého prúdu. Táto konverzia DC na AC sa dosahuje pomocou invertorov. Na základe typu napájania existujú dva typy meničov: jednofázový menič a trojfázový menič. Jednofázový menič berie ako vstup jednosmerné napätie a prevádza ho na jednofázové striedavé napätie, zatiaľ čo trojfázový menič prevádza jednosmerné napätie na trojfázové striedavé napätie.

Obrázok 1.1: Trojfázový menič

Trojfázový invertor používa 6 tranzistorových spínačov, ako je uvedené vyššie, ktoré sú poháňané signálmi PWM pomocou obvodov ovládača brány.

Vstupné signály meniča by mali mať voči sebe fázový rozdiel 120 stupňov, aby sa získal trojfázový vyvážený výstup. Na spustenie tohto obvodu je možné použiť dva typy riadiacich signálov

• 180 stupňové vedenie

• 120 stupňové vedenie

Režim vedenia 180 stupňov

V tomto režime je každý tranzistor zapnutý o 180 stupňov. A kedykoľvek zostanú zapnuté tri tranzistory, v každej vetve jeden tranzistor. V jednom cykle je šesť režimov prevádzky a každý režim funguje po dobu 60 stupňov cyklu. Signály hradiel sú od seba posunuté fázovým rozdielom 60 stupňov, aby sa získalo trojfázové vyvážené napájanie.

Obrázok 1.2: Vodivosť 180 stupňov

Režim vedenia 120 stupňov

V tomto režime je každý tranzistor zapnutý na 120 stupňov. A kedykoľvek vedú iba dva tranzistory. Je potrebné poznamenať, že kedykoľvek, v každej vetve, by mal byť zapnutý iba jeden tranzistor. Medzi signálmi PWM by mal byť fázový rozdiel 60 stupňov, aby sa dosiahol vyvážený trojfázový výstup striedavého prúdu.

Obrázok 1.3: 120 stupňové vedenie

Kontrola mŕtveho času

Veľmi dôležité opatrenie je potrebné vziať do úvahy, že na jednej nohe by nemali byť zapnuté obidva tranzistory súčasne, inak dôjde k skratu zdroja jednosmerného prúdu a poškodeniu obvodu. Preto je veľmi dôležité pridať veľmi krátky časový interval medzi zapnutím jedného tranzistora a zapnutím druhého tranzistora.

Krok 2: Blokový diagram

Krok 3: Komponenty

V tejto časti budú predstavené detaily, ktoré budú analyzované.

Zoznam komponentov

• Optočlen 4n35

• IC21 ovládača IR2110

• Tranzistor 2N3904

• Dióda (UF4007)

• Zenerove diódy

• Relé 5V

• A brána 7408

• ATiny85

Optočlen

Na optickú izoláciu mikrokontroléra od zvyšku obvodu bol použitý optočlen 4n35. Zvolený odpor je založený na vzorci:

Odpor = LedVoltage/Current Rating

Odpor = 1,35V/13,5mA

Odpor = 100 ohmov

Výstupný odpor pôsobiaci ako odpor pri znížení je 10 kOhm, aby v ňom bol vyvíjaný správny napätie.

IR 2110

Je to integrovaný obvod ovládania brány, ktorý sa bežne používa na riadenie MOSFETov. Jedná sa o integrovaný budič IC 500 V s vysokou a dolnou stranou s typickým zdrojom 2,5 A a 2,5 A prúdom v 14 zvodových obalových integrovaných obvodoch.

Kondenzátor bootstrapu

Najdôležitejšou súčasťou IC ovládača je kondenzátor bootstrapu. Kondenzátor bootstrap musí byť schopný dodať tento náboj a udržať si svoje úplné napätie, inak dôjde k značnému zvlneniu napätia Vbs, ktoré by mohlo klesnúť pod blokovanie podpätia Vbsuv a spôsobiť, že výstup HO prestane fungovať. Preto musí byť náboj v kondenzátore Cbs minimálne dvojnásobkom vyššie uvedenej hodnoty. Minimálnu hodnotu kondenzátora je možné vypočítať z nižšie uvedenej rovnice.

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

Kde ako

Vf = Pokles napätia dopredu cez diódu bootstrapu

VLS = Pokles napätia na nízkoúrovňovom FET (alebo záťaž pre vysokorýchlostný budič)

VMin = minimálne napätie medzi VB a VS

Qg = hradlový náboj FET na vyššej strane

F = Frekvencia prevádzky

Icbs (únik) = zvodový prúd kondenzátora bootstrapu

Qls = poplatok za posun úrovne požadovaný za cyklus

Vybrali sme hodnotu 47uF.

Tranzistor 2N3904

2N3904 je bežný bipolárny tranzistor NPN používaný na všeobecné použitie v zosilňovačoch alebo spínacích aplikáciách s nízkym výkonom. Pri použití ako zosilňovača zvládne prúd 200 mA (absolútne maximum) a frekvencie až 100 MHz.

Dióda (UF4007)

Na zaistenie výrazne nižšej kapacity diódy (Ct) sa používa polovodič typu I s vysokým odporom. Výsledkom je, že diódy PIN pôsobia ako variabilný odpor s predpätím vpred a správajú sa ako kondenzátor s reverzným predpätím. Vďaka vysokofrekvenčným charakteristikám (nízka kapacita zaisťuje minimálny účinok signálnych vedení) sú vhodné na použitie ako variabilné odporové prvky v širokej škále aplikácií vrátane atenuátorov, vysokofrekvenčného prepínania signálu (t. J. Mobilné telefóny vyžadujúce anténu) a obvodov AGC.

Zenerova dióda

Zenerova dióda je konkrétny typ diódy, ktorá na rozdiel od normálnej diódy umožňuje tok prúdu nielen z jej anódy do katódy, ale aj v opačnom smere, keď sa dosiahne Zenerovo napätie. Používa sa ako regulátor napätia. Zenerove diódy majú silne dopovaný prechod p-n. Normálne diódy sa tiež rozpadnú s opačným napätím, ale napätie a ostrosť kolena nie sú tak definované ako pre Zenerovu diódu. Normálne diódy tiež nie sú navrhnuté tak, aby fungovali v poruchovej oblasti, ale Zenerove diódy môžu v tejto oblasti spoľahlivo fungovať.

Relé

Relé sú spínače, ktoré otvárajú a zatvárajú obvody elektromechanicky alebo elektronicky. Relé ovládajú jeden elektrický obvod rozopnutím a zatvorením kontaktov v inom obvode. Keď je kontakt relé normálne otvorený (NO), dôjde k rozpojeniu kontaktu, keď relé nie je pod napätím. Keď je kontakt relé normálne zopnutý (NC), dôjde k zopnutiu kontaktu, keď relé nie je pod napätím. V každom prípade pôsobením elektrického prúdu na kontakty sa zmení ich stav

A BRÁNA 7408

Logická AND brána je typ digitálnej logickej brány, ktorej výstup prechádza VYSOKO na logickú úroveň 1, keď sú všetky jej vstupy VYSOKÉ

ATiny85

Jedná sa o nízkonapäťový 8-bitový mikrokontrolér Microchip AVR RISC kombinujúci 8KB ISP flash pamäť, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 univerzálnych vstupno-výstupných liniek, 32 univerzálnych pracovných registrov, jeden 8-bitový časovač/počítadlo s porovnávacími režimami, jeden 8-bitový vysokorýchlostný časovač/počítadlo, USI, interné a externé prerušenia, 4-kanálový 10-bitový A/D prevodník.

Krok 4: Vysvetlenie práce a obvodu

V tejto časti bude podrobne vysvetlené fungovanie obvodu.

Generácia PWM

PWM bol vygenerovaný z mikrokontroléra STM. TIM3, TIM4 a TIM5 boli použité na generovanie troch PWM s 50 -percentným pracovným cyklom. Fázový posun o 60 stupňov bol začlenený medzi tri PWM pomocou časového oneskorenia. Pre signál 50 Hz PWM bola na výpočet oneskorenia použitá nasledujúca metóda

oneskorenie = časové obdobie/60/360

oneskorenie = 20 ms ∗ 60/360

oneskorenie = 3,3 ms

Izolácia mikrokontroléra pomocou optočlenu

Izolácia medzi mikrokontrolérom a zvyškom obvodu bola vykonaná pomocou optočlena 4n35. Izolačné napätie 4n35 je asi 5000 V. Slúži na ochranu mikrokontroléra pred spätnými prúdmi. Pretože mikrokontrolér nemôže niesť záporné napätie, preto sa na ochranu mikrokontroléra používa optočlen.

Obvod ovládania brány IC IC IR2110 bol použitý na poskytnutie prepínania PWM na MOSFET. PWM z mikrokontroléra boli poskytnuté na vstupe integrovaného obvodu. Pretože IR2110 nemá vstavanú bránu NOT, BJT sa používa ako menič na kolík Lin. Potom dáva komplementárne PWM k MOSFETom, ktoré majú byť poháňané

Detekcia chýb

Modul SemiTeach má 3 chybové kolíky, ktoré sú zvyčajne VYSOKÉ pri 15 V. Kedykoľvek sa v obvode vyskytne chyba, jeden z kolíkov prejde na úroveň NÍZKE. Na ochranu komponentov obvodu musí byť obvod počas chybových stavov prerušený. To sa dosiahlo pomocou AND Gate, mikrokontroléra ATiny85 a 5 V relé. Použitie brány AND

Vstupom do brány AND sú 3 chybové kolíky, ktoré sú v normálnom stave vo VYSOKOM stave, takže výstup brány AND je za normálnych podmienok VYSOKÝ. Hneď ako dôjde k chybe, jeden z kolíkov prejde na 0 V, a preto výstup brány AND klesne na NÍZKU. Toto je možné použiť na kontrolu, či je v obvode chyba alebo nie. Vcc k bráne AND je zabezpečený pomocou Zenerovej diódy.

Rezanie Vcc cez ATiny85

Výstup brány AND je privádzaný do mikrokontroléra ATiny85, ktorý generuje prerušenie hneď, ako dôjde k akejkoľvek chybe. To ďalej poháňa relé, ktoré prerušuje Vcc všetkých komponentov okrem ATiny85.

Krok 5: Simulácia

Na simuláciu sme použili PWM z generátora funkcií v modeli Proteus, a nie v modeli STMf401, pretože nie je k dispozícii na Proteuse. Na izoláciu medzi mikroradičom a zvyškom obvodu sme použili Opto-Coupler 4n35. IR2103 sa používa v simuláciách ako prúdový zosilňovač, ktorý nám dáva komplementárne PWM.

Schematický diagram Schematický diagram je nasledujúci:

High Side Output Tento výstup je medzi HO a vs. Nasledujúci obrázok ukazuje výstup troch vysokých bočných PWM.

Výstup na spodnej strane Tento výstup je medzi LO a COM. Nasledujúci obrázok ukazuje výstup troch vysokých bočných PWM.

Krok 6: Schéma a rozloženie DPS

Schéma a rozloženie DPS vytvorené na Proteuse sa ukázalo

Krok 7: Výsledky hardvéru

Doplnkové PWM

Nasledujúci obrázok ukazuje výstup jedného z IR2110, ktorý je komplementárny

PWM fázy A a B

Fázy A a B sú o 60 stupňov fázovo posunuté. Je to znázornené na obrázku

PWM fázy A a C

Fázy A a C sú o -60 stupňov fázovo posunuté. Je to znázornené na obrázku

Krok 8: Kódovanie

Kód bol vyvinutý v Atollic TrueStudio. Ak si chcete nainštalovať Atollic, môžete si pozrieť moje predchádzajúce návody alebo stiahnuť online.

Bol pridaný kompletný projekt.

Krok 9: Ďakujem

Podľa mojej tradície by som sa chcel poďakovať členom mojej skupiny, ktorí mi pomohli pri dokončení tohto úžasného projektu.

Dúfam, že vám tento návod pomôže.

Toto sa odhlasujem:)

S Pozdravom

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan