Gate Driver Circuit for Three Phase Inverter: 9 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Dette prosjektet er i utgangspunktet en driverkrets for et utstyr kalt SemiTeach som vi nylig kjøpte til vår avdeling. Bildet av enheten vises.

Koble denne driverkretsen til 6 mosfets genererer tre 120 graders forskjøvede AC -spenninger. Rekkevidde er 600 V for SemiTeach -enheten. Enheten har også innebygde feilutgangsterminaler som gir lav tilstand når det oppdages feil på en av de tre fasene

Omformere brukes ofte i kraftindustrien for å konvertere DC -spenningen fra mange generasjonskilder til vekselstrømspenninger for effektiv overføring og distribusjon. I tillegg brukes de også til å hente ut energi fra Uninterruptable Power Series (UPS). Omformere trenger en Gate Driver Circuit for å drive Power Electronics -bryterne som brukes i kretsen for konverteringen. Det er mange typer Gate -signaler som kan implementeres. Den følgende rapporten diskuterer design og implementering av en Gate Driver Circuit for en trefaset inverter ved bruk av 180 graders konduksjon. Denne rapporten fokuserer på utformingen av Gate Driver Circuit der de komplette designdetaljene er skrevet. Videre innkapsler dette prosjektet også beskyttelsen av mikrokontrolleren og kretsen under feilforholdene. Kretsens utgang er 6 PWM -er for 3 bein på trefaseomformeren.

Trinn 1: Litteraturgjennomgang

Mange applikasjoner i kraftindustrien krever konvertering av DC -spenning til AC -spenning, for eksempel tilkobling av solcellepaneler til National Grid eller strømforsyningsenheter. Denne konverteringen av DC til AC oppnås ved å bruke omformere. Basert på forsyningstypen, er det to typer omformere: Enfaset inverter og trefaset inverter. En enfaset inverter tar likestrømsspenningen som inngang og konverterer den til enfaset vekselstrøm mens en trefaset omformer konverterer likestrømsspenningen til trefaset vekselstrøm.

Figur 1.1: Trefaseomformer

En trefaset inverter bruker 6 transistorbrytere som vist ovenfor som drives av PWM -signaler ved hjelp av Gate Driver Circuits.

Inverterens gatesignaler bør ha en faseforskjell på 120 grader i forhold til hverandre for å få en trefaset balansert utgang. To typer kontrollsignaler kan brukes for å kjøre denne kretsen

• 180 graders ledning

• 120 graders ledning

180 graders ledningsmodus

I denne modusen er hver transistor slått på i 180 grader. Og når som helst forblir tre transistorer slått på, en transistor i hver gren. I en syklus er det seks driftsmåter, og hver modus fungerer i 60 grader av syklusen. Gatesignalene forskyves fra hverandre med en faseforskjell på 60 grader for å oppnå trefasebalansert tilførsel.

Figur 1.2: 180 graders kondisjon

120 graders ledningsmodus

I denne modusen er hver transistor slått på i 120 grader. Og når som helst leder bare to transistorer. Det skal bemerkes at når som helst, i hver gren, bare én transistor skal være på. Det bør være en faseforskjell på 60 grader mellom PWM -signalene for å få en balansert trefaset AC -utgang.

Figur 1.3: 120 graders ledning

Dødtidskontroll

En veldig viktig forholdsregel som må tas er at i ett ben skal begge transistorene ikke være på samtidig, ellers vil DC -kilden kortslutte og kretsen blir skadet. Derfor er det svært viktig å legge til et veldig kort tidsintervall mellom slått av ff på en transistor og påslåing av den andre transistoren.

Trinn 2: Blokkdiagram

Trinn 3: Komponenter

I denne delen vil detaljer om design bli presentert og analysert.

Komponentliste

• Optokobler 4n35

• IR2110 driver IC

• Transistor 2N3904

• Diode (UF4007)

• Zener -dioder

• Relé 5V

• OG Gate 7408

• ATiny85

Optokobler

4n35 optokobler har blitt brukt for optisk isolasjon av mikrokontrolleren fra resten av kretsen. Motstanden som er valgt er basert på formelen:

Motstand = LedVoltage/CurrentRating

Motstand = 1,35V/13,5mA

Motstand = 100 ohm

Utgangsmotstand som fungerer som nedtrekksmotstand er 10k ohm for riktig spenningsutvikling over den.

IR 2110

Det er en port som driver IC som vanligvis brukes til å kjøre MOSFETene. Det er en 500 V høy og lav side driver IC med typisk 2,5 A kilde og 2,5 A vaskestrømmer i 14 Lead Packaging IC.

Bootstrap -kondensator

Den viktigste komponenten i driver -IC er oppstartskondensatoren. Bootstrap -kondensatoren må være i stand til å levere denne ladningen og beholde sin fulle spenning, ellers vil det være en signifikant mengde krusninger på Vbs -spenningen, som kan falle under Vbsuv -underspenningssperren, og føre til at HO -utgangen slutter å fungere. Derfor må ladningen i Cbs -kondensatoren være minst det dobbelte av verdien ovenfor. Minste kondensatorverdi kan beregnes ut fra ligningen nedenfor.

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

Hvor som

Vf = Fremover spenningsfall over bootstrap -dioden

VLS = Spenningsfall over FET på lavsiden (eller belastning for en driver på en høy side)

VMin = Minimumsspenning mellom VB og VS

Qg = Portladning for høy side FET

F = Driftsfrekvens

Icbs (lekkasje) = Bootstrap kondensator lekkasjestrøm

Qls = nivåskifteavgift kreves per syklus

Vi har valgt en verdi på 47uF.

Transistor 2N3904

2N3904 er en vanlig NPN bipolar junction transistor som brukes til generell bruk med lav effekt forsterkning eller bytte av applikasjoner. Den kan håndtere 200 mA strøm (absolutt maksimum) og frekvenser så høye som 100 MHz når den brukes som forsterker.

Diode (UF4007)

En halvleder av høy resistivitet I-type brukes for å gi signifikant lavere diodekapasitans (Ct). Som et resultat fungerer PIN -dioder som en variabel motstand med forspenning fremover, og oppfører seg som en kondensator med omvendt forspenning. Høyfrekvente egenskaper (lav kapasitans sikrer minimal effekt av signallinjer) gjør dem egnede til bruk som variable motstandselementer i en lang rekke applikasjoner, inkludert dempere, høyfrekvent signalbytte (dvs. mobiltelefoner som krever antenne) og AGC-kretser.

Zener Diode

En zener -diode er en bestemt type diode som, i motsetning til en normal, lar strøm strømme ikke bare fra anoden til katoden, men også i motsatt retning når zener -spenningen er nådd. Den brukes som spenningsregulator. Zenerdioder har et sterkt dopet PN-kryss. Normale dioder vil også brytes ned med en omvendt spenning, men spenningen og skarpheten i kneet er ikke like godt definert som for en Zener -diode. Normale dioder er heller ikke designet for å fungere i sammenbruddsområdet, men Zener -dioder kan fungere pålitelig i denne regionen.

Stafett

Reléer er brytere som åpner og lukker kretser elektromekanisk eller elektronisk. Reléer styrer en elektrisk krets ved å åpne og lukke kontakter i en annen krets. Når en relékontakt normalt er åpen (NO), er det en åpen kontakt når reléet ikke er strømført. Når en relékontakt er normalt lukket (NC), er det en lukket kontakt når reléet ikke er strømført. I begge tilfeller vil tilførsel av elektrisk strøm til kontaktene endre tilstanden

OG GATE 7408

En Logic AND Gate er en type digital logikk gate hvis utgang går HØYT til et logisk nivå 1 når alle inngangene er HØY

ATiny85

Det er en lav effekt Microchip 8-bit AVR RISC-basert mikrokontroller som kombinerer 8KB ISP fl aske minne, 512B EEPROM, 512 Byte SRAM, 6 generelle I/O linjer, 32 generelle arbeidsregistre, en 8-bit timer/teller med sammenligningsmoduser, en 8-bits høyhastighets timer/teller, USI, interne og eksterne interrupts, 4-kanals 10-bits A/D-omformer.

Trinn 4: Arbeid og krets forklart

I denne delen vil kretsens arbeid bli forklart i detalj.

PWM generasjon

PWM er generert fra STM mikrokontroller. TIM3, TIM4 og TIM5 har blitt brukt til å generere tre PWMer med 50 prosent driftssyklus. Faseskiftet på 60 grader ble innlemmet mellom tre PWM ved å bruke tidsforsinkelse. For 50 Hz PWM -signal ble følgende metode brukt for å beregne forsinkelsen

forsinkelse = TimePeriod ∗ 60/360

forsinkelse = 20 ms ∗ 60/360

forsinkelse = 3,3 ms

Isolering av mikrokontroller ved hjelp av optokobler

Isolasjon mellom mikrokontroller og resten av kretsen er gjort ved hjelp av optokobler 4n35. Isolasjonsspenningen til 4n35 er omtrent 5000 V. Den brukes til beskyttelse av mikrokontrolleren mot reversstrømmer. Ettersom en mikrokontroller ikke kan bære negativ spenning, brukes derfor optokobler for å beskytte mikrokontrolleren.

Gate Driving CircuitIR2110 driver IC har blitt brukt til å skifte PWM -er til MOSFET -ene. PWM fra mikrokontrolleren er gitt ved inngangen til IC. Siden IR2110 ikke har den innebygde NOT -porten, brukes derfor BJT som en omformer til pinnen Lin. Den gir deretter de komplementære PWM -ene til MOSFET -ene som skal kjøres

Feiloppdagelse

SemiTeach -modulen har 3 feilpinner som normalt er HIGH ved 15 V. Når det er feil i kretsen, går en av pinnene til nivå LOW. For å beskytte komponentene i kretsen må kretsen slås av under feilforhold. Dette ble oppnådd med AND Gate, ATiny85 mikrokontroller og et 5 V relé. Bruk av AND Gate

Inngangen til AND -porten er 3 feilpinner som er i HIGH -tilstand i normal tilstand, så utgangen til AND Gate er HIGH under normale forhold. Så snart det er en feil, går en av pinnene til 0 V, og derfor går utgangen til AND -porten LAV. Dette kan brukes til å kontrollere om det er en feil eller ikke i kretsen. Vcc til AND -porten leveres gjennom en zener -diode.

Klipper Vcc gjennom ATiny85

Utgangen fra AND -porten mates til ATiny85 mikrokontroller som genererer et avbrudd så snart det er noen feil. Dette driver reléet ytterligere som kutter Vcc for alle komponentene unntatt ATiny85.

Trinn 5: Simulering

For simuleringen har vi brukt PWM fra funksjonsgeneratoren i Proteus i stedet for STMf401 -modellen, siden den ikke er tilgjengelig på Proteus. Vi har brukt Opto-Coupler 4n35 for isolasjon mellom mikrokontroller og resten av kretsen. IR2103 brukes i simuleringene som en strømforsterker som gir oss komplementære PWM -er.

Skjematisk diagram Det skjematiske diagrammet er gitt som følger:

Høy sideutgang Denne utgangen er mellom HO og Vs. Følgende figur viser utgangen til de tre PWM -ene på høy side.

Lav sideutgang Denne utgangen er mellom LO og COM. Følgende figur viser utgangen til de tre PWM -ene på høy side.

Trinn 6: Skjematisk og PCB -oppsett

Det skjematiske og PCB -oppsettet som er opprettet på Proteus har blitt vist

Trinn 7: Maskinvareresultater

Komplementære PWM -er

Den følgende figuren viser utgangen til en av IR2110 som er komplementær

PWM i fase A og B

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

PWM i fase A og C

Fasen A og C er -60 grader faseforskyvet. Det er vist i figuren

Trinn 8: Koding

Koden ble utviklet i Atollic TrueStudio. For å installere Atollic kan du se mine tidligere opplæringsprogrammer eller laste ned online.

Hele prosjektet er lagt til.

Trinn 9: Takk

Etter min tradisjon vil jeg takke gruppemedlemmene mine som hjalp meg med å fullføre dette fantastiske prosjektet.

Håper dette kan hjelpe deg.

Dette er jeg som melder meg av:)

Med vennlig hilsen

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan