Hur man designar och implementerar en enfasomvandlare: 9 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Denna instruktion utforskar användningen av Dialogs GreenPAK ™ CMIC i kraftelektronikapplikationer och kommer att demonstrera implementeringen av en enfasomvandlare med hjälp av olika styrmetoder. Olika parametrar används för att bestämma kvaliteten på enfasomformaren. En viktig parameter är Total Harmonic Distortion (THD). THD är ett mått på den harmoniska distorsionen i en signal och definieras som förhållandet mellan summan av alla harmoniska komponenters effekt till grundfrekvensens effekt.

Nedan beskrivs stegen som behövs för att förstå hur lösningen har programmerats för att skapa enfasomformaren. Men om du bara vill få resultatet av programmeringen, ladda ner GreenPAK -programvara för att se den redan färdiga GreenPAK -designfilen. Anslut GreenPAK Development Kit till din dator och tryck på programmet för att skapa enfasomformaren.

Steg 1: Enfasomvandlare

En kraftomvandlare, eller inverter, är en elektronisk enhet eller krets som ändrar likström (DC) till växelström (AC). Beroende på antalet faser av AC -utgången finns det flera typer av växelriktare.

● Enfasomformare

● Trefasomformare

DC är det enriktade flödet av elektrisk laddning. Om en konstant spänning appliceras över en rent resistiv krets resulterar det i en konstant ström. Jämfört med AC växlar flödet av elektrisk ström periodiskt polaritet. Den mest typiska AC -vågformen är en sinusvåg, men den kan också vara en triangulär eller fyrkantig våg. För att överföra elkraft med olika strömprofiler krävs speciella enheter. Enheter som omvandlar AC till DC kallas likriktare och enheter som omvandlar DC till AC kallas omriktare.

Steg 2: Topologier för enfasomvandlare

Det finns två huvudtopologier för enfasomformare; halvbrygga och helbro-topologier. Denna ansökningsanmärkning fokuserar på helbrontopologin, eftersom den ger dubbla utspänningen jämfört med halvbrontopologin.

Steg 3: Fullbro-topologi

I en helbryggad topologi behövs 4 switchar, eftersom den växlande utspänningen erhålls genom skillnaden mellan två grenar av switchceller. Utgångsspänningen erhålls genom att intelligenta koppla till och från transistorerna vid särskilda tidpunkter. Det finns fyra olika tillstånd beroende på vilka omkopplare som är stängda. Tabellen nedan sammanfattar tillstånden och utspänningen baserat på vilka omkopplare stängs.

För att maximera utspänningen måste ingångsspänningens grundläggande komponent på varje gren vara 180º ur fas. Halvledarna i varje gren är komplementära i prestanda, det vill säga när den ena leder den andra är avstängd och vice versa. Denna topologi är den mest använda för inverterare. Diagrammet i figur 1 visar kretsen för en helbrontopologi för en enfasomvandlare.

Steg 4: Bipolär transistor med isolerad gate

Den isolerade porten bipolär transistor (IGBT) är som en MOSFET med tillägg av en tredje PNjunction. Detta tillåter spänningsbaserad styrning, som en MOSFET, men med utgångskarakteristika som en BJT angående höga belastningar och låg mättnadsspänning.

Fyra huvudregioner kan observeras på grund av dess statiska beteende.

● Lavinregion

● Mättnadsregion

● Klipp område

● Aktiv region

Lavinregionen är området där en spänning under nedbrytningsspänning appliceras, vilket resulterar i förstörelse av IGBT. Skärområdet innefattar värden från nedbrytningsspänning upp till tröskelspänning, där IGBT inte leder. I mättnadsområdet uppträder IGBT som en beroende spänningskälla och ett seriemotstånd. Med låga spänningsvariationer kan hög strömförstärkning uppnås. Detta område är det mest önskvärda för drift. Om spänningen förstärks kommer IGBT in i det aktiva området och strömmen förblir konstant. Det finns en maximal spänning för IGBT för att säkerställa att den inte kommer in i lavinregionen. Detta är en av de mest använda halvledarna inom effektelektronik, eftersom den kan stödja ett stort antal spänningar från några volt till kV och effekter mellan kW och MW.

Dessa bipolära transistorer för isolerade portar fungerar som omkopplingsenheter för helbrygga enfas växelriktartopologi.

Steg 5: Pulsbreddsmoduleringsblock i GreenPAK

Pulse Width Modulation (PWM) Block är ett användbart block som kan användas för ett brett spektrum av applikationer. DCMP/PWM -blocket kan konfigureras som ett PWM -block. PWM -blocket kan hämtas via FSM0 och FSM1. PWM IN+ pin är ansluten till FSM0 medan IN-pin är ansluten till FSM1. Både FSM0 och FSM1 tillhandahåller 8-bitars data till PWM Block. PWM -tidsperiod definieras av tidsperioden för FSM1. Driftcykeln för PWM -blocket styrs av FSM0.

?????? ???? ????? = ??+ / 256

Det finns två alternativ för driftscykelkonfigurationen:

● 0-99,6%: DC varierar från 0% till 99,6% och bestäms som IN+/256.

● 0,39-100%: DC sträcker sig från 0,39% till 100% och bestäms som (IN + + 1)/256.

Steg 6: GreenPAK -design för PWM -baserad fyrkantvågsimplementering

Det finns olika styrmetoder som kan användas för att implementera en enfasomvandlare. En sådan styrstrategi inkluderar en PWM-baserad fyrkantvåg för enfasomformaren.

En GreenPAK CMIC används för att generera periodiska kopplingsmönster för att enkelt konvertera DC till AC. Likspänningarna matas från batteriet och utgången från omformaren kan användas för att mata växelström. För tillämpningen av denna applikation notera AC -frekvensen har ställts in på 50Hz, en vanlig hushållsfrekvens i många delar av världen. På motsvarande sätt är perioden 20 ms.

Växlingsmönstret som måste genereras av GreenPAK för SW1 och SW4 visas i figur 3.

Kopplingsmönstret för SW2 och SW3 visas i figur 4

Ovanstående kopplingsmönster kan enkelt produceras med hjälp av ett PWM -block. PWM -tidsperioden anges av tidsperioden för FSM1. Tidsperioden för FSM1 måste ställas in på 20 ms motsvarande 50 Hz frekvens. Driftcykeln för PWM -blocket styrs av data från FSM0. För att generera 50% -cykeln är FSM0 -räknarvärdet satt till 128.

Motsvarande GreenPAK -design visas i figur 5.

Steg 7: Nackdelen med Square Wave Control Strategy

Genom att använda kvadratvågskontrollstrategin får växelriktaren att producera en stor mängd övertoner. Bortsett från grundfrekvensen har kvadratvågsinverterare udda frekvenskomponenter. Dessa övertoner gör att maskinflödet blir mättat, vilket leder till dålig prestanda för maskinen, ibland även skadar hårdvaran. Därför är THD som produceras av dessa typer av växelriktare mycket stor. För att lösa detta problem kan en annan kontrollstrategi som kallas Quasi- Square Wave användas för att avsevärt minska mängden övertoner som produceras av växelriktaren.

Steg 8: GreenPAK-design för PWM-baserad kvasi-kvadratisk vågimplementering

I strategin för kvasi-kvadratvågsreglering införs en nollutgångsspänning som avsevärt kan minska de övertoner som finns i den konventionella fyrkantvågformen. Stora fördelar med att använda en kvasi-kvadratvågsomvandlare inkluderar:

● Den grundläggande komponentens amplitud kan kontrolleras (genom att styra α)

● Vissa harmoniska innehåll kan elimineras (även genom att styra α)

Amplituden för den grundläggande komponenten kan kontrolleras genom att kontrollera värdet av α som visas i formel 1.

Den n: e övertonen kan elimineras om dess amplitud görs till noll. Till exempel är amplituden för den tredje övertonen (n = 3) noll när α = 30 ° (formel 2).

GreenPAK-designen för implementering av kontrollstrategin för Quasi- Square Wave visas i figur 9.

PWM -blocket används för att generera en fyrkantig vågform med 50 % arbetscykel. Nollspänningen införs genom att fördröja spänningen som visas över utgången Pin-15. P-DLY1-blocket är konfigurerat för att detektera vågformens stigande kant. P-DLY1 kommer periodiskt att upptäcka den stigande kanten efter varje period och utlösa DLY-3-blocket, vilket ger en fördröjning på 2 ms innan VDD klockas över en D-flip-flop för att aktivera Pin-15-utgången.

Pin-15 kan orsaka att både SW1 och SW4 slås på. När detta inträffar kommer en positiv spänning att visas över lasten.

P-DLY1-mekanismen för stigande kantdetektering aktiverar också DLY-7-blocket, som efter 8 ms återställer D-flip-floppen och 0 V visas över utgången.

DLY-8 och DLY-9 utlöses också från samma stigande kant. DLY-8 producerar en fördröjning på 10 ms och utlöser DLY-3 igen, vilket efter 2 ms kommer att klocka DFF vilket orsakar en logisk hög över de två OCH-grindarna.

Vid denna tidpunkt blir Out+ från PWM -blocket 0, eftersom blockets arbetscykel konfigurerades till 50 %. Ut- kommer att dyka upp över Pin-16 vilket gör att SW2 och SW3 slås på, vilket ger en växelspänning över lasten. Efter 18 ms kommer DLY-9 att återställa DFF och 0V visas över Pin-16 och den periodiska cykeln fortsätter att mata ut en AC-signal.

Konfigurationen för olika GreenPAK-block visas i figurerna 10-14.

Steg 9: Resultat

12 V likspänning matas från batteriet till växelriktaren. Växelriktaren omvandlar denna spänning till en växelström. Utsignalen från växelriktaren matas till en trapptransformator som omvandlar 12 V växelspänning till 220 V som kan användas för att driva växelströmmen.

Slutsats

I denna instruktionsbok har vi implementerat en enfasomvandlare med hjälp av Square Wave- och Quasi Square Wave-kontrollstrategier med GreenPAK och CMIC. GreenPAK CMIC fungerar som ett bekvämt substitut för mikrostyrenheter och analoga kretsar som vanligtvis används för att implementera en enfasomvandlare. Dessutom har GreenPAK CMIC potential i utformningen av trefasomformare.