Gate -driver kredsløb til trefaset inverter: 9 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Dette projekt er dybest set et driverkredsløb til et udstyr kaldet SemiTeach, som vi for nylig købte til vores afdeling. Billedet af enheden vises.

Tilslutning af dette driverkredsløb til 6 mosfets genererer tre 120 graders forskudte AC -spændinger. Område er 600 V for SemiTeach -enheden. Enheden har også indbyggede fejludgangsterminaler, der giver lav tilstand, når der opdages fejl på en af de tre faser

Invertere bruges almindeligvis i kraftindustrien til at konvertere DC -spændingen fra mange generationskilder til vekselstrømsspændinger til effektiv transmission og distribution. Desuden bruges de også til at udvinde energi fra Uninterruptable Power Series (UPS). Invertere har brug for et Gate Driver Circuit for at drive Power Electronics -switchene, der bruges i kredsløbet til konverteringen. Der er mange typer gate -signaler, der kan implementeres. Den følgende rapport diskuterer design og implementering af et Gate Driver Circuit til en trefaset inverter ved hjælp af 180 graders konduktion. Denne rapport fokuserer på designet af Gate Driver Circuit, hvor de komplette designdetaljer er skrevet. Desuden indkapsler dette projekt også beskyttelsen af mikrokontrolleren og kredsløbet under fejlbetingelserne. Outputtet fra kredsløbet er 6 PWM'er for 3 ben på trefasens inverter.

Trin 1: Litteraturanmeldelse

Mange applikationer i kraftindustrien kræver konvertering af DC -spænding til AC -spænding, f.eks. Tilslutning af solpaneler til det nationale net eller til strømforsyningsenheder. Denne konvertering af DC til AC opnås ved hjælp af invertere. Baseret på forsyningstypen er der to typer omformere: Enfaset inverter og trefaset inverter. En enkeltfaset inverter tager DC -spændingen som input og konverterer den til enfaset vekselstrømsspænding, mens en trefaset inverteromformer konverterer DC -spændingen til trefaset vekselstrøm.

Figur 1.1: Trefaset inverter

En trefaset inverter anvender 6 transistorafbrydere som vist ovenfor, som drives af PWM -signaler ved hjælp af Gate Driver Circuits.

Inverterens gatesignaler skal have en fasedifferens på 120 grader i forhold til hinanden for at opnå en trefaset afbalanceret udgang. To typer kontrolsignaler kan anvendes til at køre dette kredsløb

• 180 graders ledning

• 120 graders ledning

180 graders konduktionstilstand

I denne tilstand er hver transistor tændt i 180 grader. Og til enhver tid forbliver tre transistorer tændt, en transistor i hver gren. I en cyklus er der seks driftsformer, og hver tilstand fungerer i 60 grader af cyklussen. Gatesignalerne forskydes fra hinanden med en fasedifferens på 60 grader for at opnå trefasebalanceret forsyning.

Figur 1.2: 180 graders konduktion

120 graders konduktionstilstand

I denne tilstand er hver transistor tændt i 120 grader. Og når som helst leder kun to transistorer. Det skal bemærkes, at der til enhver tid kun skal være tændt i hver gren i hver gren. Der bør være en faseforskel på 60 grader mellem PWM -signalerne for at få en afbalanceret trefaset AC -udgang.

Figur 1.3: 120 graders ledning

Dødtidskontrol

En meget vigtig sikkerhedsforanstaltning, der skal træffes, er, at i et ben skal begge transistorer ikke være tændt på samme tid, ellers vil DC -kilden kortslutte, og kredsløbet bliver beskadiget. Derfor er det meget vigtigt at tilføje et meget kort tidsinterval mellem drejning af ff på en transistor og tænding af den anden transistor.

Trin 2: Blokdiagram

Trin 3: Komponenter

I dette afsnit vil detaljer om design blive præsenteret og analyseret.

Komponentliste

• Optocoupler 4n35

• IR2110 driver IC

• Transistor 2N3904

• Diode (UF4007)

• Zener -dioder

• Relæ 5V

• OG Gate 7408

• ATiny85

Optokobler

4n35 optokobler er blevet brugt til optisk isolering af mikrokontrolleren fra resten af kredsløbet. Den valgte modstand er baseret på formlen:

Modstand = LedVoltage/CurrentRating

Modstand = 1,35V/13,5mA

Modstand = 100 ohm

Outputmodstand, der fungerer som pull down -modstand, er 10k ohm for korrekt spændingsudvikling på tværs af den.

IR 2110

Det er en port, der driver IC, der typisk bruges til at køre MOSFET'erne. Det er en 500 V høj og lav side driver IC med typisk 2,5 A kilde og 2,5 A vaskestrømme i 14 Lead Packaging IC.

Bootstrap kondensator

Den vigtigste komponent i driver -IC er bootstrap -kondensatoren. Bootstrap -kondensatoren skal være i stand til at levere denne ladning og beholde sin fulde spænding, ellers vil der være en betydelig mængde krusninger på Vbs -spændingen, som kan falde under Vbsuv -underspændingslåsen og få HO -udgangen til at stoppe med at fungere. Derfor skal ladningen i Cbs -kondensatoren være mindst det dobbelte af ovenstående værdi. Den mindste kondensatorværdi kan beregnes ud fra nedenstående ligning.

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

Hvor som

Vf = Fremad spændingsfald over bootstrap -dioden

VLS = Spændingsfald på tværs af FET på den lave side (eller belastning for en driver i høj side)

VMin = Minimumsspænding mellem VB og VS

Qg = Gate -ladning af FET på høj side

F = Driftsfrekvens

Icbs (lækage) = Bootstrap kondensator lækstrøm

Qls = niveauforskydning kræves pr. Cyklus

Vi har valgt en værdi på 47uF.

Transistor 2N3904

2N3904 er en almindelig NPN bipolar junction transistor, der bruges til generelle formål med lav effekt forstærker eller skifter applikationer. Den kan håndtere 200 mA strøm (absolut maksimum) og frekvenser helt op til 100 MHz, når den bruges som forstærker.

Diode (UF4007)

En I-type halvleder med høj resistivitet anvendes til at tilvejebringe signifikant lavere diodekapacitans (Ct). Som et resultat fungerer PIN -dioder som en variabel modstand med forspænding fremad og opfører sig som en kondensator med omvendt bias. Højfrekvente egenskaber (lav kapacitans sikrer minimal effekt af signallinjer) gør dem velegnede til brug som variable modstandselementer i en lang række applikationer, herunder dæmpere, højfrekvent signalskift (dvs. mobiltelefoner, der kræver en antenne) og AGC-kredsløb.

Zener -diode

En zener -diode er en bestemt type diode, der i modsætning til en normal lader strøm strømme ikke kun fra sin anode til dens katode, men også i den modsatte retning, når zener -spændingen nås. Det bruges som en spændingsregulator. Zenerdioder har et stærkt dopet p-n-kryds. Normale dioder vil også bryde sammen med en omvendt spænding, men knæets spænding og skarphed er ikke så godt defineret som for en Zener -diode. Også normale dioder er ikke designet til at fungere i nedbrudsområdet, men Zener -dioder kan pålideligt fungere i dette område.

Relæ

Relæer er kontakter, der åbner og lukker kredsløb elektromekanisk eller elektronisk. Relæer styrer et elektrisk kredsløb ved at åbne og lukke kontakter i et andet kredsløb. Når en relækontakt normalt er åben (NO), er der en åben kontakt, når relæet ikke er strømført. Når en relækontakt er normalt lukket (NC), er der en lukket kontakt, når relæet ikke er strømført. I begge tilfælde vil tilførsel af elektrisk strøm til kontakterne ændre deres tilstand

OG GATE 7408

En Logic AND Gate er en type digital logisk gate, hvis output går HIGH til et logisk niveau 1, når alle dets input er HIGH

ATiny85

Det er en lav effekt Microchip 8-bit AVR RISC-baseret mikrokontroller, der kombinerer 8KB ISP fl askehukommelse, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 generelle I/O-linjer, 32 generelle arbejdsregistre, en 8-bit timer/tæller med sammenligningstilstande, en 8-bit højhastighedstimer/tæller, USI, interne og eksterne afbrydelser, 4-kanals 10-bit A/D-konverter.

Trin 4: Arbejde og kredsløb forklaret

I dette afsnit vil kredsløbets arbejde blive forklaret detaljeret.

PWM generation

PWM er blevet genereret fra STM mikrokontroller. TIM3, TIM4 og TIM5 er blevet brugt til at generere tre PWM'er med 50 procents driftscyklus. Faseskiftet på 60 grader blev inkorporeret mellem tre PWM'er ved hjælp af tidsforsinkelse. For 50 Hz PWM -signal blev følgende metode brugt til at beregne forsinkelsen

forsinkelse = TimePeriod ∗ 60/360

forsinkelse = 20 ms ∗ 60/360

forsinkelse = 3,3 ms

Mikrocontrollerisolering ved hjælp af Optocoupler

Isolering mellem mikrokontroller og resten af kredsløbet er udført ved hjælp af optocoupler 4n35. Isolationsspændingen på 4n35 er omkring 5000 V. Den bruges til beskyttelse af mikrokontrolleren mod de omvendte strømme. Da en mikrokontroller ikke kan bære negativ spænding, bruges der derfor en optokobler til beskyttelse af mikrokontrolleren.

Gate Driving CircuitIR2110 driver IC er blevet brugt til at levere PWM'er til at skifte til MOSFET'erne. PWM'er fra mikrokontrolleren er blevet leveret ved indgangen til IC'en. Da IR2110 ikke har den indbyggede NOT Gate, bruges BJT derfor som inverter til stiften Lin. Det giver derefter de komplementære PWM'er til de MOSFET'er, der skal drives

Fejlregistrering

SemiTeach -modulet har 3 fejlstifter, der normalt er HIGH ved 15 V. Hver gang der er fejl i kredsløbet, går en af stifterne til niveau LOW. For at beskytte kredsløbets komponenter skal kredsløbet afbrydes under fejltilstande. Dette blev opnået ved hjælp af AND Gate, ATiny85 Microcontroller og et 5 V relæ. Brug af AND Gate

Input til AND Gate er 3 fejlstifter, der er i HIGH -tilstand i normal tilstand, så output fra AND Gate er HIGH under normale forhold. Så snart der er en fejl, går stifterne til 0 V, og derfor går output fra AND -porten LAVT. Dette kan bruges til at kontrollere, om der er en fejl eller ej i kredsløbet. Vcc til AND -porten leveres via en zener -diode.

Skær Vcc gennem ATiny85

Udgangen fra AND -porten føres til ATiny85 -mikrokontrolleren, som genererer en afbrydelse, så snart der er en fejl. Dette driver yderligere relæet, der afbryder Vcc for alle komponenter undtagen ATiny85.

Trin 5: Simulering

Til simuleringen har vi brugt PWM'erne fra funktionsgeneratoren i Proteus frem for STMf401 -modellen, da den ikke er tilgængelig på Proteus. Vi har brugt Opto-Coupler 4n35 til isolation mellem mikro-controller og resten af kredsløbet. IR2103 bruges i simuleringerne som en strømforstærker, der giver os komplementære PWM'er.

Skematisk diagram Det skematiske diagram er givet som følger:

High Side Output Denne output er mellem HO og Vs. Følgende figur viser output fra de tre PWM'er på høj side.

Lav sideudgang Denne udgang er mellem LO og COM. Følgende figur viser output fra de tre PWM'er på høj side.

Trin 6: Skematisk og PCB -layout

Det skematiske og PCB -layout, der er oprettet på Proteus, er blevet vist

Trin 7: Hardware -resultater

Supplerende PWM'er

Den følgende figur viser output fra en af IR2110, som er komplementær

PWM i fase A og B

Fase A og B for er 60 graders faseforskydning. Det er vist i figuren

PWM i fase A og C

Fasen A og C er -60 graders faseforskydning. Det er vist i figuren

Trin 8: Kodning

Koden blev udviklet i Atollic TrueStudio. For at installere Atollic kan du se mine tidligere selvstudier eller downloade online.

Det komplette projekt er tilføjet.

Trin 9: Tak

Efter min tradition vil jeg gerne takke mine gruppemedlemmer, der hjalp mig med at gennemføre dette fantastiske projekt.

Håber denne instruktive hjælper dig.

Det er mig, der melder mig ud:)

Med venlig hilsen

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan