Circuito di gate driver per inverter trifase: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Questo progetto è fondamentalmente un circuito di pilotaggio per un'attrezzatura chiamata SemiTeach che abbiamo recentemente acquistato per il nostro dipartimento. Viene mostrata l'immagine del dispositivo.

Il collegamento di questo circuito di pilotaggio a 6 mosfet genera tre tensioni CA spostate di 120 gradi. La gamma è di 600 V per il dispositivo SemiTeach. Il dispositivo ha anche terminali di uscita di errore incorporati che danno uno stato basso quando viene rilevato un errore su una qualsiasi delle tre fasi

Gli inverter sono comunemente usati nell'industria energetica per convertire la tensione CC di molte fonti di generazione in tensioni CA per una trasmissione e distribuzione efficiente. Inoltre, vengono utilizzati anche per estrarre energia da gruppi di continuità (UPS). Gli inverter necessitano di un circuito di gate driver per pilotare gli interruttori dell'elettronica di potenza utilizzati nel circuito per la conversione. Esistono molti tipi di segnali di gate che possono essere implementati. Il seguente rapporto discute la progettazione e l'implementazione di un circuito di gate driver per un inverter trifase che utilizza una conduzione a 180 gradi. Questo rapporto si concentra sulla progettazione del circuito Gate Driver in cui sono scritti i dettagli di progettazione completi. Inoltre, questo progetto incapsula anche la protezione del microcontrollore e del circuito durante le condizioni di errore. L'uscita del circuito è 6 PWM per 3 gambe dell'inverter trifase.

Passaggio 1: revisione della letteratura

Molte applicazioni nel settore energetico richiedono la conversione della tensione CC in tensione CA come il collegamento di pannelli solari alla rete nazionale o per alimentare dispositivi CA. Questa conversione da CC a CA viene ottenuta utilizzando gli inverter. In base al tipo di alimentazione esistono due tipologie di inverter: Inverter Monofase e Inverter Trifase. Un inverter monofase prende la tensione CC come input e la converte in tensione CA monofase mentre un convertitore trifase converte la tensione CC in tensione CA trifase.

Figura 1.1: Inverter trifase

Un inverter trifase impiega 6 interruttori a transistor, come mostrato sopra, che sono pilotati da segnali PWM che utilizzano circuiti di gate driver.

I segnali di controllo dell'inverter dovrebbero avere una differenza di fase di 120 gradi l'uno rispetto all'altro per acquisire un'uscita trifase bilanciata. È possibile applicare due tipi di segnali di controllo per eseguire questo circuito

• Conduzione a 180 gradi

• Conduzione a 120 gradi

Modalità di conduzione a 180 gradi

In questa modalità, ogni transistor è acceso per 180 gradi. E in qualsiasi momento, tre transistor rimangono accesi, un transistor in ogni ramo. In un ciclo, ci sono sei modalità di funzionamento e ciascuna modalità opera per 60 gradi del ciclo. I segnali di gate vengono spostati l'uno dall'altro di una differenza di fase di 60 gradi per ottenere un'alimentazione trifase bilanciata.

Figura 1.2: conduzione a 180 gradi

Modalità di conduzione a 120 gradi

In questa modalità, ogni transistor è acceso per 120 gradi. E in qualsiasi momento, solo due transistor conducono. Va notato che in ogni momento, in ogni ramo, dovrebbe essere acceso un solo transistor. Dovrebbe esserci una differenza di fase di 60 gradi tra i segnali PWM per ottenere un'uscita CA trifase bilanciata.

Figura 1.3: conduzione a 120 gradi

Controllo dei tempi morti

Una precauzione molto importante da prendere è che in una gamba, entrambi i transistor non dovrebbero essere accesi contemporaneamente, altrimenti la sorgente CC andrà in cortocircuito e il circuito sarà danneggiato. Pertanto, è molto essenziale aggiungere un intervallo di tempo molto breve tra lo spegnimento di un transistor e l'accensione dell'altro transistor.

Passaggio 2: diagramma a blocchi

Passaggio 3: componenti

In questa sezione verranno presentati e analizzati i dettagli sul design.

Elenco dei componenti

• Fotoaccoppiatore 4n35

• IR2110 driver IC

• Transistor 2N3904

• Diodo (UF4007)

• Diodi Zener

• Relè 5V

•AND cancello 7408

• ATiny85

Fotoaccoppiatore

L'optoaccoppiatore 4n35 è stato utilizzato per l'isolamento ottico del microcontrollore dal resto del circuito. La resistenza selezionata si basa sulla formula:

Resistenza = LedVoltage/CurrentRating

Resistenza = 1,35 V/13.5 mA

Resistenza = 100 ohm

La resistenza di uscita che agisce come resistenza di pull down è di 10k ohm per il corretto sviluppo della tensione attraverso di essa.

IR 2110

È un circuito integrato di pilotaggio del gate utilizzato tipicamente per pilotare i MOSFET. Si tratta di un circuito integrato driver lato alto e basso da 500 V con una sorgente tipica di 2,5 A e correnti di caduta di 2,5 A in un circuito integrato a 14 conduttori.

Condensatore Bootstrap

Il componente più importante del driver IC è il condensatore di bootstrap. Il condensatore di bootstrap deve essere in grado di fornire questa carica e mantenere la sua piena tensione, altrimenti ci sarà una quantità significativa di ripple sulla tensione Vbs, che potrebbe scendere al di sotto del blocco di sottotensione Vbsuv e causare l'interruzione del funzionamento dell'uscita HO. Pertanto la carica nel condensatore Cbs deve essere almeno il doppio del valore sopra indicato. Il valore minimo del condensatore può essere calcolato dall'equazione seguente.

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

Invece

Vf= caduta di tensione diretta attraverso il diodo bootstrap

VLS= Caduta di tensione attraverso il FET lato basso (o carico per un driver lato alto)

VMin= Tensione minima tra VB e VS

Qg= Carica gate di FET lato alto

F= Frequenza di funzionamento

Icbs (perdita) = corrente di dispersione del condensatore bootstrap

Qls = carica di spostamento di livello richiesta per ciclo

Abbiamo selezionato un valore di 47uF.

Transistor 2N3904

Il 2N3904 è un comune transistor a giunzione bipolare NPN utilizzato per applicazioni generiche di amplificazione o commutazione a bassa potenza. Può gestire una corrente di 200 mA (massimo assoluto) e frequenze fino a 100 MHz quando viene utilizzato come amplificatore.

Diodo (UF4007)

Un semiconduttore di tipo I ad alta resistività viene utilizzato per fornire una capacità del diodo (Ct) significativamente inferiore. Di conseguenza, i diodi PIN agiscono come un resistore variabile con polarizzazione diretta e si comportano come un condensatore con polarizzazione inversa. Le caratteristiche ad alta frequenza (bassa capacità garantisce un effetto minimo delle linee di segnale) li rendono adatti per l'uso come elementi resistori variabili in un'ampia varietà di applicazioni, inclusi attenuatori, commutazione di segnali ad alta frequenza (cioè telefoni cellulari che richiedono un'antenna) e circuiti AGC.

Diodo Zener

Un diodo Zener è un particolare tipo di diodo che, a differenza di uno normale, permette alla corrente di fluire non solo dal suo anodo al suo catodo, ma anche in senso inverso, quando viene raggiunta la tensione Zener. Viene utilizzato come regolatore di tensione. I diodi Zener hanno una giunzione p-n altamente drogata. Anche i normali diodi si guastano con una tensione inversa, ma la tensione e la nitidezza del ginocchio non sono ben definite come per un diodo Zener. Anche i normali diodi non sono progettati per funzionare nella regione di rottura, ma i diodi Zener possono funzionare in modo affidabile in questa regione.

Relè

I relè sono interruttori che aprono e chiudono circuiti in modo elettromeccanico o elettronico. I relè controllano un circuito elettrico aprendo e chiudendo i contatti in un altro circuito. Quando un contatto del relè è normalmente aperto (NO), c'è un contatto aperto quando il relè non è eccitato. Quando un contatto del relè è Normalmente Chiuso (NC), c'è un contatto chiuso quando il relè non è eccitato. In entrambi i casi, l'applicazione di corrente elettrica ai contatti cambierà il loro stato

E CANCELLA 7408

Una porta logica AND è un tipo di porta logica digitale la cui uscita passa ALTO a un livello logico 1 quando tutti i suoi ingressi sono ALTI

ATiny85

È un microcontrollore a basso consumo Microchip AVR a 8 bit basato su RISC che combina memoria flash ISP da 8 KB, EEPROM da 512 B, SRAM da 512 byte, 6 linee I/O per uso generale, 32 registri di lavoro per uso generale, un timer/contatore a 8 bit con modalità di confronto, un timer/contatore ad alta velocità a 8 bit, USI, interrupt interni ed esterni, convertitore A/D a 10 bit a 4 canali.

Passaggio 4: spiegazione del funzionamento e del circuito

In questa sezione verrà spiegato in dettaglio il funzionamento del circuito.

Generazione PWM

PWM è stato generato dal microcontrollore STM. TIM3, TIM4 e TIM5 sono stati utilizzati per generare tre PWM con duty cycle del 50%. Lo sfasamento di 60 gradi è stato incorporato tra tre PWM utilizzando il ritardo. Per il segnale PWM a 50 Hz, è stato utilizzato il seguente metodo per calcolare il ritardo

ritardo = Periodo di tempo∗60/360

ritardo = 20ms∗60/360

ritardo = 3,3 ms

Isolamento del microcontrollore mediante accoppiatore ottico

L'isolamento tra il microcontrollore e il resto del circuito è stato effettuato utilizzando l'accoppiatore ottico 4n35. La tensione di isolamento di 4n35 è di circa 5000 V. Viene utilizzata per la protezione del microcontrollore dalle correnti inverse. Poiché un microcontrollore non può sopportare una tensione negativa, quindi, per la protezione del microcontrollore, viene utilizzato un fotoaccoppiatore.

Circuito di pilotaggio del gate Il CI del driver IR2110 è stato utilizzato per fornire PWM di commutazione ai MOSFET. I PWM del microcontrollore sono stati forniti all'ingresso dell'IC. Poiché IR2110 non ha il NOT Gate integrato, BJT viene utilizzato come inverter per il pin Lin. Quindi fornisce i PWM complementari ai MOSFET che devono essere pilotati

Rilevamento errori

Il modulo SemiTeach ha 3 pin di errore che normalmente sono ALTI a 15 V. Ogni volta che si verifica un errore nel circuito, uno dei pin va al livello LOW. Per la protezione dei componenti del circuito, il circuito deve essere interrotto durante le condizioni di errore. Ciò è stato ottenuto utilizzando AND Gate, microcontrollore ATiny85 e un relè a 5 V. Uso di AND Gate

L'ingresso all'AND Gate sono 3 pin di errore che sono allo stato ALTO in condizioni normali, quindi l'uscita di AND Gate è ALTA in condizioni normali. Non appena si verifica un errore, uno dei pin va a 0 V e quindi l'uscita della porta AND diventa LOW. Questo può essere usato per verificare se c'è un errore o meno nel circuito. Il Vcc alla porta AND è fornito tramite un diodo Zener.

Tagliare il Vcc attraverso ATiny85

L'uscita dell'AND Gate viene inviata al Microcontrollore ATiny85 che genera un interrupt non appena si verifica un errore. Questo pilota ulteriormente il Relè che taglia il Vcc di tutti i componenti tranne ATiny85.

Passaggio 5: simulazione

Per la simulazione, abbiamo utilizzato i PWM del generatore di funzioni nel modello Proteus anziché STMf401 poiché non è disponibile su Proteus. Abbiamo usato Opto-Coupler 4n35 per l'isolamento tra il microcontrollore e il resto del circuito. IR2103 viene utilizzato nelle simulazioni come amplificatore di corrente che ci fornisce PWM complementari.

Diagramma schematicoIl diagramma schematico è fornito come segue:

Uscita High Side Questa uscita è tra HO e Vs. La figura seguente mostra l'output dei tre PWM high side.

Uscita lato basso Questa uscita è tra LO e COM. La figura seguente mostra l'output dei tre PWM high side.

Passaggio 6: layout schematico e PCB

È stato mostrato lo schema e il layout del PCB creato su Proteus

Passaggio 7: risultati hardware

PWM complementari

La figura seguente mostra l'uscita di uno degli IR2110 che è complementare

PWM di Fase A e B

Le fasi A e B di sono sfasate di 60 gradi. È mostrato nella figura

PWM di Fase A e C

Le fasi A e C di sono sfasate di -60 gradi. È mostrato nella figura

Passaggio 8: codifica

Il codice è stato sviluppato in Atollic TrueStudio. Per installare Atollic puoi visualizzare i miei tutorial precedenti o scaricarli online.

Il progetto completo è stato aggiunto.

Passaggio 9: grazie

Seguendo la mia tradizione vorrei ringraziare i membri del mio gruppo che mi hanno aiutato a completare questo fantastico progetto.

Spero che questo istruibile ti aiuti.

Questo sono io che mi congedo:)

Distinti saluti

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan