Gate Driver Circuit for Three Phase Inverter: 9 Steps

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:50

Այս նախագիծը հիմնականում SemiTeach կոչվող սարքավորման վարորդի շրջան է, որը մենք վերջերս ենք գնել մեր բաժնի համար: Սարքի պատկերը ցուցադրվում է:

Վարորդի այս սխեման միացնելով 6 mosfets- ին, առաջանում է երեք 120 աստիճանի տեղաշարժված AC լարում: Միջակայքը 600 V է SemiTeach սարքի համար: Սարքն ունի նաև ներկառուցված սխալի ելքային տերմինալներ, որոնք թույլ են տալիս երեք փուլերից որևէ մեկի դեպքում սխալ հայտնաբերելիս

Էներգիայի արդյունաբերության մեջ սովորաբար օգտագործվում են ինվերտորներ `արդյունավետ փոխանցման և բաշխման համար շատ սերունդների աղբյուրների DC լարման փոխարկումը AC լարման: Fur thermore, դրանք օգտագործվում են նաև էներգիա անխափան էներգիայի շարքից (UPS) արդյունահանելու համար: Inverters- ին անհրաժեշտ է Gate Driver Circuit, որպեսզի փոխարկի համար էլեկտրական էլեկտրոնիկայի անջատիչները, որոնք օգտագործվում են շղթայում: Կան դարպասի ազդանշանների բազմաթիվ տեսակներ, որոնք կարելի է իրագործել: Հետևյալ զեկույցը քննարկում է Եռաֆազ ինվերտորի դարպասի սխեմայի նախագծումը և իրականացումը `օգտագործելով 180 աստիճանի հաղորդունակություն: Այս զեկույցը կենտրոնանում է Gate Driver Circuit- ի նախագծման վրա, որում գրված են նախագծման ամբողջական մանրամասները: Ավելին, այս նախագիծը ներառում է նաև միկրոկառավարիչի և սխեմայի պաշտպանությունը սխալի պայմաններում: Շղթայի ելքը 6 PWM է `եռաֆազ ինվերտորի 3 ոտքերի համար:

Քայլ 1: Գրականության ակնարկ

Էլեկտրաէներգիայի արդյունաբերության բազմաթիվ ծրագրեր պահանջում են DC լարման փոխակերպում AC լարման, ինչպես օրինակ ՝ Արևային վահանակների միացումն ազգային ցանցին կամ էլեկտրական հոսանքի սարքերին: DC- ի AC- ի այս փոխարկումը կատարվում է Inverters- ի միջոցով: Կախված մատակարարման տեսակից, կան երկու տեսակի ինվերտորներ ՝ մեկաֆազ ինվերտոր և եռաֆազ ինվերտոր: Մեկ փուլով փոխարկիչը ընդունում է DC լարումը որպես մուտք և այն փոխարկում է մեկ փուլով AC լարման, մինչդեռ եռաֆազ ինվերտոր փոխարկիչը DC լարման փոխակերպում է եռաֆազ AC լարման:

Նկար 1.1. Եռաֆազ ինվերտոր

Եռաֆազ ինվերտորը օգտագործում է 6 տրանզիստոր անջատիչ, ինչպես ցույց է տրված վերևում, որոնք շարժվում են PWM ազդանշաններով `օգտագործելով Gate Driver Circuits- ը:

Inverter- ի Gating ազդանշանները պետք է ունենան միմյանցից 120 աստիճանի տարբերություն `եռաֆազ հավասարակշռված ելք ստանալու համար: Այս միացումն աշխատեցնելու համար կարող են կիրառվել երկու տեսակի կառավարման ազդանշաններ

• 180 աստիճանի հաղորդունակություն

• 120 աստիճանի հաղորդունակություն

180 աստիճանի անցկացման ռեժիմ

Այս ռեժիմում յուրաքանչյուր տրանզիստոր միացված է 180 աստիճանով: Եվ ցանկացած պահի երեք տրանզիստոր մնում է միացված, յուրաքանչյուր ճյուղում `մեկ տրանզիստոր: Մեկ ցիկլում գործում են վեց ռեժիմ և յուրաքանչյուր ռեժիմ գործում է ցիկլի 60 աստիճանի համար: Դարպասի ազդանշանները միմյանցից տեղափոխվում են 60 աստիճանի փուլային տարբերությամբ `երեք փուլով հավասարակշռված մատակարարում ստանալու համար:

Նկար 1.2. 180 աստիճանի հաղորդունակություն

120 աստիճանի անցկացման ռեժիմ

Այս ռեժիմում յուրաքանչյուր տրանզիստոր միացված է 120 աստիճանով: Եվ ցանկացած պահի միայն երկու տրանզիստոր է անցկացնում: Պետք է նշել, որ ցանկացած պահի, յուրաքանչյուր ճյուղում, պետք է միացված լինի միայն մեկ տրանզիստոր: PWM ազդանշանների միջև պետք է լինի 60 աստիճանի տարբերություն `հավասարակշռված եռաֆազ հոսանք ստանալու համար:

Նկար 1.3. 120 աստիճանի հաղորդունակություն

Dead Time Control

Շատ կարևոր նախազգուշական միջոց է, որ մեկ ոտքի վրա երկու տրանզիստորները չպետք է միացված լինեն, հակառակ դեպքում DC աղբյուրը կարճ միացում կկատարի, և միացումը վնասված է: Հետևաբար, շատ կարևոր է մի կարճ տևողություն ավելացնել մեկ տրանզիստորի շրջադարձի և մյուս տրանզիստորի միացման միջև:

Քայլ 2: Արգելափակել դիագրամը

Քայլ 3: Բաղադրիչներ

Այս բաժնում դիզայնի վերաբերյալ մանրամասներ կներկայացվեն և կվերլուծվեն:

Բաղադրիչների ցուցակ

• Optocoupler 4n35

• IR2110 վարորդի IC

• Տրանզիստոր 2N3904

• դիոդ (UF4007)

• Zener դիոդներ

• Ռելե 5V

• ԵՎ Դարպաս 7408

• ATiny85

Optocoupler

Միկրոկոնտրոլերի օպտիկական մեկուսացման համար մնացած միացումից օգտագործվել է 4n35 օպտոկապլեր: Ընտրված դիմադրությունը հիմնված է բանաձևի վրա.

Դիմադրություն = LedVoltage/CurrentRating

Դիմադրություն = 1.35V/13.5mA

Դիմադրություն = 100 օհմ

Ելքային դիմադրությունը, որը գործում է որպես ներքև քաշվող դիմադրություն, 10k ohm է `դրա լարման ճիշտ զարգացման համար:

IR 2110

Դա դարպաս վարող IC է, որը սովորաբար օգտագործվում է MOSFET- երը վարելու համար: Դա 500 Վ բարձր և ցածր կողմնակի վարորդի IC է ՝ տիպիկ 2.5 Ա աղբյուրով և 2.5 Ա լվացարանի հոսանքներով 14 կապար փաթեթավորման IC- ում:

Bootstrap կոնդենսատոր

Վարորդի IC- ի ամենակարևոր բաղադրիչը բեռնախցիկի կոնդենսատորն է: Բեռնախցիկի կոնդենսատորը պետք է կարողանա ապահովել այս լիցքը և պահպանել իր ամբողջ լարումը, հակառակ դեպքում Vbs լարման վրա զգալի ալիք կլինի, որը կարող է ընկնել Vbsuv գերլարման արգելափակումից ցածր և հանգեցնել HO- ի ելքի դադարի: Հետևաբար, Cbs կոնդենսատորի լիցքը պետք է լինի առնվազն երկու անգամ վերը նշված արժեքից: Կոնդենսատորի նվազագույն արժեքը կարող է հաշվարկվել ստորև բերված հավասարումից:

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

Որտեղ, ինչպես

Vf = Փոխանցման լարման անկում bootstrap դիոդի վրա

VLS = Լարման անկում ցածր կողմի FET- ում (կամ բեռ բարձր կողմի վարորդի համար)

VMin = VB- ի և VS- ի միջև նվազագույն լարումը

Qg = Բարձր կողմի FET- ի դարպասի լիցքավորում

F = Գործողության հաճախականությունը

Icbs (արտահոսք) = Bootstrap կոնդենսատորի արտահոսքի հոսանք

Qls = մեկ ցիկլի համար պահանջվում է մակարդակի հերթափոխի վճար

Մենք ընտրել ենք 47uF արժեքը:

Տրանզիստոր 2N3904

2N3904- ը սովորական NPN երկբևեռ հանգույցի տրանզիստոր է, որն օգտագործվում է ընդհանուր նշանակության ցածր էներգիայի ուժեղացման կամ անջատման ծրագրերի համար: Այն կարող է կարգավորել 200 մԱ հոսանք (բացարձակ առավելագույն) և մինչև 100 ՄՀց հաճախականություններ ՝ որպես ամպլիտեր:

Դիոդ (UF4007)

Բարձր դիմադրողականության I տիպի կիսահաղորդիչը օգտագործվում է զգալիորեն ցածր դիոդային հզորություն ապահովելու համար (Ct): Արդյունքում, PIN դիոդները գործում են որպես փոփոխական ռեզիստոր ՝ առաջային կողմնակալությամբ և պահում են որպես հակադարձ կողմնակալությամբ կոնդենսատոր: Բարձր հաճախականության բնութագրերը (ցածր հզորությունը ապահովում է ազդանշանային գծերի նվազագույն ազդեցությունը) դրանք հարմար են դարձնում որպես փոփոխական դիմադրության տարրեր տարբեր ծրագրերում, ներառյալ թուլացնող սարքերը, բարձր հաճախականության ազդանշանի անջատումը (այսինքն ՝ ալեհավաք պահանջող բջջային հեռախոսները) և AGC սխեմաները:

Zener դիոդ

Enեների դիոդը դիոդի հատուկ տեսակ է, որը, ի տարբերություն սովորականի, թույլ է տալիս հոսանքը հոսել ոչ միայն իր անոդից դեպի կաթոդ, այլ նաև հակառակ ուղղությամբ, երբ Zener լարումը հասնում է: Այն օգտագործվում է որպես լարման կարգավորիչ: Zener դիոդներն ունեն բարձր դոպինացված p-n հանգույց: Սովորական դիոդները նույնպես կքանդվեն հակառակ լարման դեպքում, բայց ծնկի լարվածությունն ու սրությունը այնքան էլ որոշված չեն, որքան enեներ դիոդի դեպքում: Նաև նորմալ դիոդները նախատեսված չեն քայքայման շրջանում աշխատելու համար, բայց Zener դիոդները կարող են հուսալիորեն գործել այս տարածաշրջանում:

Ռելե

Ռելեներ անջատիչներ են, որոնք բացում և փակում են էլեկտրամեխանիկական կամ էլեկտրոնային սխեմաները: Ռելեները վերահսկում են մեկ էլեկտրական սխեման `բացելով և փակելով կոնտակտները մեկ այլ սխեմայում: Երբ ռելեի կոնտակտը սովորաբար բաց է (NO), կա բաց կոնտակտ, երբ ռելեն չի լիցքավորվում: Երբ ռելեի կոնտակտը սովորաբար փակ է (NC), կա փակ կոնտակտ, երբ ռելեն չի լիցքավորվում: Երկու դեպքում էլ, շփումների վրա էլեկտրական հոսանքի կիրառումը կփոխի նրանց վիճակը

ԵՎ ԴԱՐՊԱ 7408

Տրամաբանությունը և դարպասը թվային տրամաբանական դարպասի տեսակ է, որի ելքը ԲԱՐՁՐԱՈՄ Է տրամաբանական մակարդակ 1, երբ նրա բոլոր մուտքերը բարձր են

ATiny85

Այն ցածր էներգիայի միկրոչիպի 8-բիթանոց AVR RISC- ի վրա հիմնված միկրոկոնտրոլեր է, որը համատեղում է 8KB ISP մոխրի հիշողություն, 512B EEPROM, 512-բայթ SRAM, 6 ընդհանուր նշանակության I/O գծեր, 32 ընդհանուր օգտագործման աշխատանքային գրանցամատյաններ, մեկ 8-բիթ ժամաչափ/հաշվիչ համեմատման ռեժիմներով, մեկ 8-բիթ արագաչափ ժամաչափ/հաշվիչ, USI, ներքին և արտաքին ընդհատումներ, 4-ալիք 10-բիթանոց A/D փոխարկիչ:

Քայլ 4. Աշխատանք և սխեմայի բացատրություն

Այս բաժնում սխեմայի աշխատանքը մանրամասն կբացատրվի:

PWM սերունդ

PWM- ն ստեղծվել է STM միկրոկառավարիչից: TIM3- ը, TIM4- ը և TIM5- ը օգտագործվել են 50 տոկոս աշխատանքային ցիկլի երեք PWM- ներ ստեղծելու համար: 60 աստիճանի փուլային տեղաշարժը ներառվել է երեք PWM- ների միջև ՝ օգտագործելով ժամանակի ուշացում: 50 Հց PWM ազդանշանի համար հետաձգումը հաշվարկելու համար օգտագործվել է հետևյալ մեթոդը

ուշացում = Pամանակահատված ∗ 60/360

ուշացում = 20 ms ∗ 60/360

ուշացում = 3.3 մգ

Միկրոկոնտրոլերի մեկուսացում Optocoupler- ի միջոցով

Միկրոկոնտրոլերի և միացման մնացած մասի միջև մեկուսացումն իրականացվել է 4n35 optocoupler- ի միջոցով: 4n35- ի մեկուսացման լարումը մոտ 5000 Վ է: Այն օգտագործվում է միկրոկոնտրոլերի հակառակ հոսանքներից պաշտպանվելու համար: Քանի որ միկրոկոնտրոլերը չի կարող կրել բացասական լարում, հետևաբար, միկրոկոնտրոլերի պաշտպանության համար օգտագործվում է օպտոկուպերլեր:

Gate Driving CircuitIR2110 վարորդի IC- ն օգտագործվել է PWM- ների MOSFET- ների անցում ապահովելու համար: Միկրոկոնտրոլերից PWM- եր տրամադրվել են IC- ի մուտքի մոտ: Քանի որ IR2110- ը չունի ներկառուցված NOT Gate, ուստի BJT- ն օգտագործվում է որպես կապի Lin- ի ինվերտոր: Այնուհետև այն տալիս է լրացուցիչ PWM- ներ այն ՄՈՍՖԵՏ -երին, որոնք պետք է քշվեն

Սխալների հայտնաբերում

SemiTeach մոդուլն ունի 3 սխալի քորոց, որոնք սովորաբար բարձր են 15 Վ -ում: Ամեն անգամ, երբ սխեմայում որևէ սխալ կա, կապումներից մեկը անցնում է LԱOWՐ մակարդակին: Շղթայի բաղադրիչների պաշտպանության համար սխեմայի դեպքում սխեման պետք է կտրված լինի o o: Դա իրականացվել է AND Gate, ATiny85 միկրոկոնտրոլերի և 5 Վ ռելեի միջոցով: AND դարպասի օգտագործումը

AND դարպասի մուտքը 3 սխալի կապում է, որոնք նորմալ վիճակում գտնվում են HIGH վիճակում, այնպես որ AND- ի դարպասի ելքը նորմալ պայմաններում ԲԱՐՁՐ է: Հենց որ սխալ առաջանա, մեկ կապումներն անցնում են 0 Վ -ի, ուստի AND դարպասի ելքը LԱOWՐ է գնում: Սա կարող է օգտագործվել ստուգելու համար, թե արդյոք սխալի մեջ կա, թե ոչ: Vcc դեպի AND դարպասը տրամադրվում է Zener դիոդի միջոցով:

Vcc- ի կտրումը ATiny85- ի միջոցով

AND դարպասի ելքը սնվում է ATiny85 միկրոկառավարիչով, որն առաջացնում է ընդհատում, երբ որևէ սխալ կա: Սա հետագայում մղում է ռելեին, որը կտրում է cc Vcc- ը բոլոր բաղադրիչներից, բացառությամբ ATiny85- ի:

Քայլ 5: Սիմուլյացիա

Սիմուլյացիայի համար մենք օգտագործել ենք Proteus- ի գործառույթի գեներատորից ստացված PWM- ները, այլ ոչ թե STMf401 մոդելը, քանի որ այն հասանելի չէ Proteus- ում: Մենք օգտագործել ենք Opto-Coupler 4n35 միկրոկառավարիչի և շրջանի մնացած մասի մեկուսացման համար: IR2103- ը սիմուլյացիաներում օգտագործվում է որպես ընթացիկ ուժեղացուցիչ, որը մեզ տալիս է լրացուցիչ PWM- ներ:

Սխեմատիկ դիագրամը տրված է հետևյալ կերպ.

Բարձր կողմնակի ելք Այս ելքը գտնվում է HO- ի և Vs. Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս երեք բարձր կողային PWM- ների ելքը:

Lowածր կողմնակի ելք Այս ելքը գտնվում է LO- ի և COM- ի միջև: Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս երեք բարձր կողային PWM- ների ելքը:

Քայլ 6. Սխեմատիկ և PCB դասավորություն

Proteուցադրված է Proteus- ի վրա ստեղծված սխեմատիկ և PCB դասավորությունը

Քայլ 7: Սարքավորման արդյունքներ

Լրացուցիչ PWM- ներ

Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս IR2110- ից մեկի ելքը, որը լրացուցիչ է

A և B փուլի PWM

A և B փուլերը 60 աստիճանով տեղաշարժված են: Այն ցուցադրվում է նկարում

A և C փուլի PWM

A և C փուլերը -60 աստիճանով տեղաշարժված են: Այն ցուցադրվում է նկարում

Քայլ 8: Կոդավորում

Կոդը մշակվել է Atollic TrueStudio- ում: Atollic- ը տեղադրելու համար կարող եք դիտել իմ նախորդ ձեռնարկները կամ ներբեռնել առցանց:

Ամբողջական նախագիծը ավելացվել է:

Քայլ 9: Շնորհակալություն

Հետեւելով իմ ավանդույթին, ես կցանկանայի շնորհակալություն հայտնել իմ խմբի անդամներին, ովքեր օգնեցին ինձ ավարտել այս հիանալի նախագիծը:

Հուսով եմ, որ այս հրահանգը կօգնի ձեզ:

Սա ես եմ ստորագրում:)

Հարգանքներով

Թահիր Ուլ Հաք

EE, UET LHR Պակիստան