مدار درایور گیت برای اینورتر سه فاز: 9 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

این پروژه اساساً یک مدار راننده برای تجهیزات به نام SemiTeach است که ما اخیراً برای بخش خود خریداری کرده ایم. تصویر دستگاه نشان داده شده است.

اتصال این مدار راننده به 6 mosfets باعث ایجاد سه ولتاژ AC 120 درجه ای می شود. محدوده 600 ولت برای دستگاه SemiTeach است. دستگاه همچنین دارای پایانه های خروجی خطا است که هنگام تشخیص خطا در هر یک از سه مرحله حالت پایینی می دهد

اینورترها معمولاً در صنعت برق برای تبدیل ولتاژ DC بسیاری از منابع نسل به ولتاژ AC برای انتقال و توزیع کارآمد استفاده می شوند. از گرمای خز دار ، آنها همچنین برای استخراج انرژی از سری برق اضطراری (UPS) استفاده می شوند. اینورترها برای حرکت سوئیچ های Power Electronics مورد استفاده در مدار برای تبدیل ، به مدار درایور Gate نیاز دارند. انواع مختلفی از سیگنال های دروازه وجود دارد که می توان آنها را پیاده کرد. گزارش زیر در مورد طراحی و اجرای مدار درایور گیت برای اینورتر سه فاز با استفاده از هدایت 180 درجه بحث می کند. این گزارش بر طراحی مدار Gate Driver Circuit متمرکز است که در آن جزئیات کامل طرح نوشته شده است. علاوه بر این ، این پروژه همچنین حفاظت از میکروکنترلر و مدار را در شرایط خطا در بر می گیرد. خروجی مدار 6 PWM برای 3 پایه اینورتر سه فاز است.

مرحله 1: مرور ادبیات

بسیاری از برنامه های کاربردی در صنعت برق نیاز به تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ AC دارند ، مانند اتصال پنل های خورشیدی به شبکه ملی یا برق رسانی به دستگاه های AC. این تبدیل DC به AC با استفاده از اینورتر به دست می آید. بر اساس نوع منبع تغذیه ، دو نوع اینورتر وجود دارد: اینورتر تکفاز و اینورتر سه فاز. اینورتر تک فاز ولتاژ DC را به عنوان ورودی می گیرد و آن را به ولتاژ AC تک فاز تبدیل می کند در حالی که مبدل اینورتر سه فاز ولتاژ DC را به ولتاژ AC سه فاز تبدیل می کند.

شکل 1.1: اینورتر سه فاز

اینورتر سه فاز از 6 سوئیچ ترانزیستور استفاده می کند که در بالا نشان داده شده است و توسط سیگنال های PWM با استفاده از مدارهای درایور گیت هدایت می شوند.

سیگنال های گیتینگ اینورتر باید دارای اختلاف فاز 120 درجه نسبت به یکدیگر باشند تا خروجی متوازن سه فاز بدست آورند. برای اجرای این مدار می توان از دو نوع سیگنال کنترل استفاده کرد

• هدایت 180 درجه

• هدایت 120 درجه

حالت هدایت 180 درجه

در این حالت ، هر ترانزیستور 180 درجه روشن می شود. و در هر زمان ، سه ترانزیستور روشن باقی می مانند ، یک ترانزیستور در هر شاخه. در یک چرخه ، شش حالت عملکرد وجود دارد و هر حالت برای 60 درجه از چرخه کار می کند. سیگنال های دروازه با تغییر فاز 60 درجه از یکدیگر تغییر مکان می دهند تا منبع متعادل سه فاز به دست آید.

شکل 1.2: رسانایی 180 درجه

حالت هدایت 120 درجه

در این حالت ، هر ترانزیستور برای 120 درجه روشن می شود. و در هر زمان ، فقط دو ترانزیستور هدایت می شوند. لازم به ذکر است که در هر زمان ، در هر شاخه ، فقط یک ترانزیستور باید روشن باشد. باید بین سیگنالهای PWM اختلاف فاز 60 درجه وجود داشته باشد تا خروجی AC سه فاز متعادل بدست آید.

شکل 1.3: هدایت 120 درجه

کنترل زمان مرده

یکی از اقدامات احتیاطی بسیار مهم این است که در یک پا ، هر دو ترانزیستور نباید همزمان روشن باشند ، در غیر این صورت منبع DC اتصال کوتاه می کند و مدار آسیب می بیند. بنابراین ، افزودن یک فاصله زمانی بسیار کوتاه بین چرخش o ff یک ترانزیستور و روشن شدن ترانزیستور دیگر بسیار ضروری است.

مرحله 2: بلوک نمودار

مرحله 3: اجزاء

در این بخش جزئیات مربوط به طراحی ارائه شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.

لیست اجزاء

• Optocoupler 4n35

• IC درایور IR2110

• ترانزیستور 2N3904

• دیود (UF4007)

• دیودهای زنر

• رله 5 ولت

• و دروازه 7408

• ATiny85

اپتوکوپلر

4c35 optocoupler برای جداسازی نوری میکروکنترلر از بقیه مدار استفاده شده است. مقاومت انتخاب شده بر اساس فرمول زیر است:

مقاومت = LedVoltage/CurrentRating

مقاومت = 1.35V/13.5mA

مقاومت = 100 اهم

مقاومت خروجی که به عنوان مقاومت کششی عمل می کند 10 کیلو اهم برای توسعه ولتاژ مناسب در سراسر آن است.

IR 2110

این یک IC دروازه رانندگی است که معمولاً برای رانندگی MOSFET ها استفاده می شود. این آی سی درایور 500 ولت با ولتاژ پایین با منبع تغذیه معمولی 2.5 A و جریان سینک 2.5 A در 14 IC بسته بندی سربی است.

خازن بوت استرپ

مهمترین جزء IC راننده خازن راه انداز است. خازن راه انداز باید بتواند این شارژ را تأمین کند و ولتاژ کامل خود را حفظ کند ، در غیر این صورت مقدار قابل توجهی از موج بر ولتاژ Vbs وجود دارد ، که ممکن است از قفل ولتاژ زیر Vbsuv کمتر شود و باعث شود خروجی HO از کار بیفتد. بنابراین شارژ در خازن Cbs باید حداقل دو برابر مقدار فوق باشد. حداقل مقدار خازن را می توان از رابطه زیر محاسبه کرد.

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

در حالیکه

Vf = افت ولتاژ رو به جلو در دیود راه انداز

VLS = افت ولتاژ در FET سمت پایین (یا بار برای درایور سمت بالا)

VMin = حداقل ولتاژ بین VB و VS

Qg = شارژ دروازه FET سمت بالا

F = فرکانس کار

Icbs (نشت) = جریان نشت خازن بوت استرپ

Qls = هزینه تغییر سطح مورد نیاز در هر چرخه

ما مقدار 47uF را انتخاب کرده ایم.

ترانزیستور 2N3904

2N3904 یک ترانزیستور اتصال دوقطبی NPN معمولی است که برای تقویت کننده یا سوئیچینگ با قدرت کم مصرف عمومی استفاده می شود. هنگامی که از آن به عنوان تقویت کننده استفاده می شود ، می تواند جریان 200 میلی آمپر (حداکثر مطلق) و فرکانس های حداکثر 100 مگاهرتز را کنترل کند.

دیود (UF4007)

از یک نیمه هادی مقاومتی بالا برای تأمین خازن دیود به میزان قابل توجهی (Ct) استفاده می شود. در نتیجه ، دیودهای PIN به عنوان یک مقاومت متغیر با تعصب به جلو عمل می کنند و به عنوان یک خازن با سوگیری معکوس رفتار می کنند. ویژگی های فرکانس بالا (خازنی کم ، حداقل تأثیر خطوط سیگنال را تضمین می کند) آنها را برای استفاده به عنوان عناصر مقاومت متغیر در برنامه های کاربردی مختلف ، از جمله ضعیف کننده ها ، تغییر سیگنال با فرکانس بالا (به عنوان مثال تلفن های همراه که به آنتن نیاز دارند) و مدارهای AGC مناسب می سازد.

دیود زنر

دیود زنر نوع خاصی از دیودها است که بر خلاف دیودهای معمولی ، اجازه می دهد جریان نه تنها از آند خود به کاتد خود ، بلکه همچنین در جهت معکوس ، هنگامی که به ولتاژ زنر برسد ، جریان یابد. به عنوان تنظیم کننده ولتاژ استفاده می شود. دیودهای زنر دارای اتصال p-n بسیار دوپ شده هستند. دیودهای معمولی نیز با ولتاژ معکوس خراب می شوند اما ولتاژ و وضوح زانو به خوبی دیود زنر تعیین نشده است. همچنین دیودهای معمولی برای کار در منطقه خرابی طراحی نشده اند ، اما دیودهای زنر می توانند با اطمینان در این منطقه کار کنند.

رله

رله ها کلیدهایی هستند که مدارها را به صورت الکترومکانیکی یا الکترونیکی باز و بسته می کنند. رله ها یک مدار الکتریکی را با باز و بسته شدن کنتاکت ها در مدار دیگر کنترل می کنند. هنگامی که یک تماس رله به طور معمول باز است (NO) ، هنگامی که رله روشن نمی شود ، یک تماس باز وجود دارد. هنگامی که یک تماس رله معمولاً بسته است (NC) ، هنگامی که رله روشن نمی شود ، یک تماس بسته وجود دارد. در هر صورت ، اعمال جریان الکتریکی به مخاطبین حالت آنها را تغییر می دهد

و دروازه 7408

Logic AND Gate نوعی دروازه منطقی دیجیتالی است که خروجی آن تا سطح منطقی 1 بالا می رود در صورتی که تمام ورودی های آن بالا باشد.

ATiny85

این یک میکروکنترلر کم مصرف 8 بیتی مبتنی بر AVR RISC میکروچیپ با حافظه 8KB ISP خاکستر ، 512B EEPROM ، 512-Byte SRAM ، 6 خط ورودی/خروجی عمومی ، 32 رجیستر کارکرد عمومی ، یک تایمر/شمارنده 8 بیتی است. با حالت های مقایسه ، یک تایمر/شمارنده 8 بیتی با سرعت بالا ، USI ، وقفه های داخلی و خارجی ، مبدل 4 کانال 10 بیتی A/D.

مرحله 4: کار و مدار توضیح داده شده است

در این قسمت نحوه کار مدار به تفصیل توضیح داده می شود.

نسل PWM

PWM از میکروکنترلر STM تولید شده است. TIM3 ، TIM4 و TIM5 برای تولید سه PWM با چرخه وظیفه 50 درصد استفاده شده است. تغییر فاز 60 درجه بین سه PWM با استفاده از تاخیر زمان ترکیب شد. برای سیگنال PWM 50 هرتز ، از روش زیر برای محاسبه تاخیر استفاده شد

تاخیر = TimePeriod ∗ 60/360

تاخیر = 20ms ∗ 60/360

تاخیر = 3.3 میلی ثانیه

جداسازی میکروکنترلر با استفاده از Optocoupler

جداسازی بین میکروکنترلر و بقیه مدار با استفاده از optocoupler 4n35 انجام شده است. ولتاژ جداسازی 4n35 حدود 5000 ولت است. برای محافظت از میکروکنترلر در برابر جریانهای معکوس استفاده می شود. از آنجا که یک میکروکنترلر نمی تواند ولتاژ منفی را تحمل کند ، بنابراین ، برای محافظت از میکروکنترلر ، از نوریچکان استفاده می شود.

IC درایور Gate Driving CircuitIR2110 برای انتقال PWM به MOSFET استفاده شده است. PWM های میکروکنترلر در ورودی IC ارائه شده است. از آنجایی که IR2110 NOT Gate ندارد ، بنابراین BJT به عنوان اینورتر به پین Lin استفاده می شود. سپس PWM های مکمل را به MOSFET هایی که باید رانده شوند می دهد

تشخیص خطا

ماژول SemiTeach دارای 3 پین خطا است که معمولاً در 15 ولت بالا هستند. هر زمان که خطایی در مدار وجود داشت ، یکی از پین ها به سطح LOW می رود. برای محافظت از اجزای مدار ، مدار باید در شرایط خطا قطع شود. این کار با استفاده از AND Gate ، میکروکنترلر ATiny85 و رله 5 ولت انجام شد. استفاده از AND Gate

ورودی AND دروازه 3 پین خطا است که در حالت عادی در حالت HIGH قرار دارد بنابراین خروجی AND Gate در شرایط عادی HIGH است. به محض وجود خطا ، یک پین به 0 ولت می رود و بنابراین خروجی دروازه AND پایین می رود. از این طریق می توان بررسی کرد که آیا خطایی در مدار وجود دارد یا خیر. Vcc تا AND Gate از طریق دیود زنر ارائه می شود.

قطع Vcc از طریق ATiny85

خروجی AND Gate به میکروکنترلر ATiny85 تغذیه می شود که به محض وجود خطا وقفه ایجاد می کند. این رله را بیشتر می کند که Vcc تمام اجزاء به جز ATiny85 را قطع می کند.

مرحله 5: شبیه سازی

برای شبیه سازی ، ما از PWM های تولید کننده عملکرد در پروتئوس به جای مدل STMf401 استفاده کرده ایم زیرا در پروتئوس موجود نیست. ما از Opto-Coupler 4n35 برای جداسازی بین میکرو کنترلر و بقیه مدار استفاده کرده ایم. IR2103 در شبیه سازی ها به عنوان تقویت کننده فعلی استفاده می شود که PWM های مکمل را به ما می دهد.

نمودار شماتیک به شرح زیر ارائه شده است:

خروجی جانبی بالا این خروجی بین HO و Vs. شکل زیر خروجی سه PWM سمت بالا را نشان می دهد.

خروجی جانبی پایین این خروجی بین LO و COM است. شکل زیر خروجی سه PWM سمت بالا را نشان می دهد.

مرحله ششم: طرح بندی شماتیک و PCB

طرح کلی و PCB ایجاد شده بر روی پروتئوس نشان داده شده است

مرحله 7: نتایج سخت افزاری

PWM های مکمل

شکل زیر خروجی یکی از IR2110 را که مکمل است نشان می دهد

PWM فاز A و B

فاز A و B 60 درجه تغییر فاز دارند. در تصویر نشان داده شده است

PWM فاز A و C

فاز A و C 60 درجه تغییر فاز دارند. در تصویر نشان داده شده است

مرحله 8: کد نویسی

کد در Atollic TrueStudio توسعه داده شد. برای نصب Atollic می توانید آموزش های قبلی من را مشاهده کرده یا بصورت آنلاین بارگیری کنید.

پروژه کامل اضافه شد.

مرحله 9: با تشکر

طبق سنت من ، می خواهم از اعضای گروهم که در تکمیل این پروژه عالی کمک کردند تشکر کنم.

امیدوارم این دستورالعمل به شما کمک کند.

این من امضا می کنم:)

با احترام

طاهر الحق

EE ، UET LHR پاکستان