Gate Driver Circuit för trefasomvandlare: 9 steg

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-23 15:11

Detta projekt är i grunden en förarkrets för en utrustning som heter SemiTeach som vi nyligen köpte till vår avdelning. Bilden på enheten visas.

Att ansluta denna drivkrets till 6 mosfets genererar tre 120 graders skiftade växelspänningar. Räckvidd är 600 V för SemiTeach -enheten. Enheten har också inbyggda felutgångsterminaler som ger lågt tillstånd när det upptäcks fel i någon av de tre faserna

Omformare används vanligtvis inom kraftindustrin för att konvertera likspänningen från många generationskällor till växelspänningar för effektiv överföring och distribution. Dessutom används de också för att utvinna energi från Uninterruptable Power Series (UPS). Inverters behöver en Gate Driver Circuit för att driva Power Electronics -switcharna som används i kretsen för konverteringen. Det finns många typer av Gate Signals som kan genomföras. Följande rapport diskuterar design och implementering av en Gate Driver Circuit för en trefasomvandlare med 180 graders konduktion. Denna rapport fokuserar på utformningen av Gate Driver Circuit där de fullständiga designdetaljerna skrivs. Dessutom inkapslar detta projekt också skyddet för mikrokontrollern och kretsen under felförhållandena. Kretsens utgång är 6 PWM för tre ben på trefasomformaren.

Steg 1: Litteraturöversyn

Många applikationer inom kraftindustrin kräver omvandling av likspänning till växelspänning, till exempel anslutning av solpaneler till det nationella nätet eller till strömförsörjningsenheter. Denna konvertering av DC till AC uppnås med inverterare. Baserat på typ av strömförsörjning finns det två typer av växelriktare: enfasomvandlare och trefasomvandlare. En enfasomvandlare tar likspänningen som ingång och omvandlar den till enfas växelspänning medan en trefasomvandlare omvandlar likspänningen till trefas växelspänning.

Figur 1.1: Trefasomvandlare

En trefasomvandlare använder 6 transistoromkopplare som visas ovan som drivs av PWM -signaler som använder Gate Driver Circuits.

Växelriktarens gatesignaler bör ha en fasdifferens på 120 grader i förhållande till varandra för att få en trefas balanserad utgång. Två typer av styrsignaler kan tillämpas för att köra denna krets

• 180 graders ledning

• 120 graders ledning

180 graders konduktionsläge

I detta läge är varje transistor inkopplad i 180 grader. Och när som helst förblir tre transistorer påslagna, en transistor i varje gren. I en cykel finns det sex driftslägen och varje läge fungerar under 60 grader av cykeln. Portsignalerna förskjuts från varandra med en fasdifferens på 60 grader för att erhålla trefasbalanserad tillförsel.

Figur 1.2: 180 graders konduktion

120 graders konduktionsläge

I detta läge är varje transistor inkopplad i 120 grader. Och när som helst leder bara två transistorer. Det bör noteras att när som helst, i varje gren, endast en transistor bör vara på. Det bör finnas en fasdifferens på 60 grader mellan PWM -signalerna för att få en balanserad trefas växelström.

Figur 1.3: 120 graders ledning

Dead Time Control

En mycket viktig försiktighetsåtgärd är att i ett ben ska båda transistorerna inte vara på samtidigt, annars kommer DC -källan att kortslutas och kretsen skadas. Därför är det mycket viktigt att lägga till ett mycket kort tidsintervall mellan vridningen av en transistor och den andra transistorn slås på.

Steg 2: Block Diagram

Steg 3: Komponenter

I detta avsnitt presenteras detaljer om design och analyseras.

Komponentlista

• Optokopplare 4n35

• IR2110 -drivrutins -IC

• Transistor 2N3904

• Diod (UF4007)

• Zener -dioder

• Relä 5V

• OCH Gate 7408

• ATiny85

Optokopplare

4n35 optokopplare har använts för optisk isolering av mikrokontrollern från resten av kretsen. Det valda motståndet är baserat på formeln:

Motstånd = LedVoltage/CurrentRating

Motstånd = 1,35V/13,5mA

Motstånd = 100 ohm

Utgångsmotstånd som fungerar som neddragningsmotstånd är 10k ohm för korrekt spänningsutveckling över det.

IR 2110

Det är en port som driver IC som vanligtvis används för att köra MOSFET: erna. Det är en 500 V hög och låg sidodrivrutin IC med typisk 2,5 A -källa och 2,5 A sänkeströmmar i 14 Lead Packaging IC.

Bootstrap -kondensator

Den viktigaste komponenten i drivrutins -IC är bootstrap -kondensatorn. Bootstrap -kondensatorn måste kunna leverera denna laddning och behålla sin fulla spänning, annars kommer det att finnas en signifikant mängd krusning på Vbs -spänningen, som kan falla under Vbsuv -underspänningsspärren och få HO -utgången att sluta fungera. Därför måste laddningen i Cbs -kondensatorn vara minst dubbelt ovanstående värde. Det minsta kondensatorvärdet kan beräknas utifrån ekvationen nedan.

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

Var som

Vf = Framåt spänningsfall över bootstrap -dioden

VLS = Spänningsfall över lågsidan FET (eller belastning för en högsideförare)

VMin = Minsta spänning mellan VB och VS

Qg = Gate -laddning av högsidans FET

F = Driftsfrekvens

Icbs (läcka) = Bootstrap -kondensatorns läckström

Qls = nivåskifteavgift krävs per cykel

Vi har valt ett värde på 47uF.

Transistor 2N3904

2N3904 är en vanlig NPN bipolär övergångstransistor som används för lågeffekts förstärknings- eller omkopplingsapplikationer för allmänna ändamål. Den klarar 200 mA ström (absolut max) och frekvenser så höga som 100 MHz när de används som förstärkare.

Diod (UF4007)

En halvledare av hög resistivitet I-typ används för att ge avsevärt lägre diodkapacitans (Ct). Som ett resultat fungerar PIN -dioder som ett variabelt motstånd med förspänning framåt och beter sig som en kondensator med omvänd förspänning. Högfrekventa egenskaper (låg kapacitans säkerställer minimal effekt av signalledningar) gör dem lämpliga för användning som variabla motståndselement i en mängd olika applikationer, inklusive dämpare, högfrekvent signalomkoppling (dvs. mobiltelefoner som kräver en antenn) och AGC-kretsar.

Zener -diod

En zenerdiod är en särskild typ av diod som, till skillnad från en normal, tillåter ström att strömma inte bara från sin anod till dess katod, utan också i omvänd riktning, när zenerspänningen nås. Den används som spänningsregulator. Zenerdioder har en starkt dopad p-n-övergång. Normala dioder går också sönder med en omvänd spänning men knäets spänning och skärpa är inte lika väldefinierade som för en Zener -diod. Normala dioder är inte heller avsedda att fungera i uppdelningsområdet, men Zener -dioder kan fungera pålitligt i detta område.

Relä

Reläer är switchar som öppnar och stänger kretsar elektromekaniskt eller elektroniskt. Reläer styr en elektrisk krets genom att öppna och stänga kontakter i en annan krets. När en reläkontakt normalt är öppen (NO), finns det en öppen kontakt när reläet inte är strömförsörjt. När en reläkontakt är normalt stängd (NC), finns det en sluten kontakt när reläet inte är spänningssatt. I båda fallen ändras tillståndet för kontakterna

OCH GATE 7408

En Logic AND Gate är en typ av digital logic gate vars utgång går HIGH till en logisk nivå 1 när alla dess ingångar är HIGH

ATiny85

Det är en lågeffektsmikrochip 8-bitars AVR RISC-baserad mikrokontroller som kombinerar 8KB ISP-flödesminne, 512B EEPROM, 512-byte SRAM, 6 I/O-linjer för allmänna ändamål, 32 generella arbetsregister, en 8-bitars timer/räknare med jämförlägen, en 8-bitars höghastighetstimer/räknare, USI, interna och externa avbrott, 4-kanals 10-bitars A/D-omvandlare.

Steg 4: Arbete och krets förklaras

I detta avsnitt kommer kretsens funktion att förklaras i detalj.

PWM -generation

PWM har genererats från STM -mikrokontroller. TIM3, TIM4 och TIM5 har använts för att generera tre PWM med 50 procents driftscykel. Fasskiftet på 60 grader införlivades mellan tre PWM med tidsfördröjning. För 50 Hz PWM -signal användes följande metod för att beräkna fördröjningen

delay = TimePeriod ∗ 60/360

fördröjning = 20 ms ∗ 60/360

fördröjning = 3,3 ms

Mikrocontrollerisolering med optokopplare

Isolering mellan mikrokontroller och resten av kretsen har gjorts med optokopplare 4n35. Isoleringsspänningen för 4n35 är cirka 5000 V. Den används för att skydda mikrokontrollern från de omvända strömmarna. Eftersom en mikrokontroller inte kan bära negativ spänning används därför optokopplare för att skydda mikrokontrollern.

Gate Driving CircuitIR2110 driver IC har använts för att tillhandahålla växling av PWM till MOSFET: erna. PWM från mikrokontrollern har tillhandahållits vid ingången till IC: n. Eftersom IR2110 inte har den inbyggda NOT -porten används därför BJT som en växelriktare till stiftet Lin. Den ger sedan de kompletterande PWM: erna till MOSFET: erna som ska drivas

Felavkänning

SemiTeach -modulen har 3 felstift som normalt är HIGH vid 15 V. När det är något fel i kretsen går en av stiften till nivå LÅG. För att skydda komponenterna i kretsen måste kretsen stängas av under felförhållanden. Detta uppnåddes med AND Gate, ATiny85 Microcontroller och ett 5 V Relay. Användning av AND Gate

Ingången till AND -porten är 3 felpinnar som är i HIGH -tillstånd i normalt skick så att utmatningen från AND Gate är HIGH under normala förhållanden. Så snart det finns ett fel går en av stiften till 0 V och därmed går utgången från AND -porten LÅG. Detta kan användas för att kontrollera om det finns ett fel eller inte i kretsen. Vcc till AND -porten tillhandahålls via en zener -diod.

Skär Vcc genom ATiny85

Utsignalen från AND -porten matas till ATiny85 Microcontroller som genererar ett avbrott så snart det uppstår något fel. Detta driver vidare reläet som skär av Vcc för alla komponenter utom ATiny85.

Steg 5: Simulering

För simuleringen har vi använt PWM från funktionsgeneratorn i Proteus snarare än STMf401 -modellen eftersom den inte är tillgänglig på Proteus. Vi har använt Opto-Coupler 4n35 för isolering mellan mikrokontroller och resten av kretsen. IR2103 används i simuleringarna som en strömförstärkare som ger oss kompletterande PWM.

Schematiskt diagram Det schematiska diagrammet ges enligt följande:

Hög sidoutgång Denna utgång är mellan HO och Vs. Följande bild visar utmatningen från de tre högsidiga PWM: erna.

Låg sidoutgång Denna utgång är mellan LO och COM. Följande bild visar utmatningen från de tre högsidiga PWM: erna.

Steg 6: Schematisk och PCB -layout

Den schematiska och PCB -layout som skapats på Proteus har visats

Steg 7: Hårdvaruresultat

Kompletterande PWM

Följande bild visar utmatningen från en av IR2110 som är komplementär

PWM i fas A och B

Fas A och B för är 60 grader fasskiftade. Det visas i figuren

PWM i fas A och C

Fas A och C är -60 grader fasskiftade. Det visas i figuren

Steg 8: Kodning

Koden utvecklades i Atollic TrueStudio. För att installera Atollic kan du se mina tidigare självstudier eller ladda ner online.

Hela projektet har lagts till.

Steg 9: Tack

Efter min tradition vill jag tacka mina gruppmedlemmar som hjälpte mig att slutföra detta fantastiska projekt.

Hoppas att denna instruerbara hjälper dig.

Det här är jag som loggar ut:)

Vänliga hälsningar

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan