วิธีการออกแบบและใช้งานอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว: 9 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

คำแนะนำนี้จะสำรวจการใช้ GreenPAK™ CMIC ของ Dialog ในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลัง และจะสาธิตการใช้งานอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวโดยใช้วิธีการควบคุมที่หลากหลาย พารามิเตอร์ต่างๆ ใช้เพื่อกำหนดคุณภาพของอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว พารามิเตอร์ที่สำคัญคือ Total Harmonic Distortion (THD) THD คือการวัดความเพี้ยนของฮาร์มอนิกในสัญญาณและถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของผลรวมของกำลังของส่วนประกอบฮาร์มอนิกทั้งหมดต่อกำลังของความถี่พื้นฐาน

ด้านล่างนี้ เราได้อธิบายขั้นตอนที่จำเป็น ทำความเข้าใจวิธีการแก้ปัญหาที่ได้รับการตั้งโปรแกรมเพื่อสร้างอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเพียงแค่ผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรม ให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ GreenPAK เพื่อดูไฟล์การออกแบบ GreenPAK ที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เสียบ GreenPAK Development Kit เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณและกดโปรแกรมเพื่อสร้างอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว

ขั้นตอนที่ 1: อินเวอร์เตอร์เฟสเดียว

อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าหรืออินเวอร์เตอร์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือวงจรที่เปลี่ยนกระแสตรง (DC) เป็นกระแสสลับ (AC) อินเวอร์เตอร์มีหลายประเภทขึ้นอยู่กับจำนวนเฟสของเอาต์พุต AC

● อินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว

● อินเวอร์เตอร์สามเฟส

DC คือการไหลของประจุไฟฟ้าทิศทางเดียว หากใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ในวงจรความต้านทานอย่างหมดจด จะส่งผลให้กระแสคงที่ เมื่อเทียบกับไฟฟ้ากระแสสลับ การไหลของกระแสไฟฟ้าจะกลับขั้วเป็นระยะ รูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับทั่วไปส่วนใหญ่เป็นคลื่นไซน์ แต่ก็สามารถเป็นคลื่นสามเหลี่ยมหรือคลื่นสี่เหลี่ยมได้เช่นกัน ในการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าที่มีโปรไฟล์กระแสต่างกัน จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ อุปกรณ์ที่แปลง AC เป็น DC เรียกว่าวงจรเรียงกระแสและอุปกรณ์ที่แปลง DC เป็น AC เรียกว่าอินเวอร์เตอร์

ขั้นตอนที่ 2: โทโพโลยีของอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว

มีโทโพโลยีหลักสองประการของอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว โทโพโลยีแบบฮาล์ฟบริดจ์และฟูลบริดจ์ บันทึกการใช้งานนี้เน้นที่โทโพโลยีแบบฟูลบริดจ์ เนื่องจากมีแรงดันเอาต์พุตสองเท่าเมื่อเทียบกับโทโพโลยีแบบฮาล์ฟบริดจ์

ขั้นตอนที่ 3: โทโพโลยีฟูลบริดจ์

ในโทโพโลยีแบบฟูลบริดจ์ 4 สวิตช์จำเป็น เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตสลับได้มาจากความแตกต่างระหว่างเซลล์สวิตชิ่งสองกิ่ง แรงดันเอาต์พุตได้มาจากการเปิดและปิดทรานซิสเตอร์อย่างชาญฉลาดในช่วงเวลาหนึ่งๆ มีสี่สถานะที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับว่าสวิตช์ใดปิด ตารางด้านล่างสรุปสถานะและแรงดันเอาต์พุตโดยพิจารณาจากการปิดสวิตช์

เพื่อเพิ่มแรงดันเอาต์พุตให้สูงสุด ส่วนประกอบพื้นฐานของแรงดันไฟฟ้าอินพุตในแต่ละสาขาจะต้องไม่อยู่ในเฟส 180º เซมิคอนดักเตอร์ของแต่ละสาขานั้นเสริมประสิทธิภาพ กล่าวคือเมื่อฝ่ายหนึ่งดำเนินการอีกฝ่ายหนึ่งจะถูกตัดออกและในทางกลับกัน โทโพโลยีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับอินเวอร์เตอร์ แผนภาพในรูปที่ 1 แสดงวงจรของโทโพโลยีแบบฟูลบริดจ์สำหรับอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว

ขั้นตอนที่ 4: ฉนวนเกทไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) เหมือนกับ MOSFET โดยเพิ่ม PNjunction ที่สาม ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า เช่น MOSFET แต่มีลักษณะเอาต์พุต เช่น BJT เกี่ยวกับโหลดสูงและแรงดันอิ่มตัวต่ำ

สี่ภูมิภาคหลักสามารถสังเกตได้จากพฤติกรรมคงที่

● ภูมิภาคหิมะถล่ม

● พื้นที่อิ่มตัว

● พื้นที่ตัด

● ภูมิภาคที่ใช้งานอยู่

บริเวณหิมะถล่มคือพื้นที่ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแรงดันพังทลาย ซึ่งส่งผลให้ IGBT ถูกทำลาย พื้นที่ตัดรวมถึงค่าต่างๆ ตั้งแต่แรงดันพังทลายจนถึงแรงดันธรณีประตู โดยที่ IGBT จะไม่ดำเนินการ ในพื้นที่อิ่มตัว IGBT ทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟแบบอิงตามและความต้านทานแบบอนุกรม ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ผันแปรต่ำ จึงสามารถขยายกระแสได้สูง พื้นที่นี้เป็นที่ต้องการมากที่สุดสำหรับการดำเนินงาน หากแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น IGBT จะเข้าสู่บริเวณที่ทำงานอยู่ และกระแสจะคงที่ มีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ใช้สำหรับ IGBT เพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่เข้าสู่บริเวณหิมะถล่ม นี่เป็นหนึ่งในเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้มากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เนื่องจากสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าได้หลากหลายตั้งแต่ไม่กี่โวลต์ถึง kV และกำลังระหว่างกิโลวัตต์และเมกะวัตต์

ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวนเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งสำหรับโทโพโลยีอินเวอร์เตอร์เฟสเดียวแบบฟูลบริดจ์

ขั้นตอนที่ 5: บล็อกการปรับความกว้างพัลส์ใน GreenPAK

บล็อก Pulse Width Modulation (PWM) เป็นบล็อกที่มีประโยชน์ซึ่งสามารถใช้งานได้หลากหลาย DCMP/PWM Block สามารถกำหนดค่าเป็นบล็อก PWM ได้ บล็อก PWM สามารถหาได้จาก FSM0 และ FSM1 PWM IN+ pin เชื่อมต่อกับ FSM0 ในขณะที่ IN-pin เชื่อมต่อกับ FSM1 ทั้ง FSM0 และ FSM1 ให้ข้อมูล 8 บิตแก่บล็อก PWM ช่วงเวลา PWM ถูกกำหนดโดยช่วงเวลาของ FSM1 รอบการทำงานสำหรับบล็อก PWM ถูกควบคุมโดย FSM0

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

มีสองตัวเลือกสำหรับการกำหนดค่ารอบการทำงาน:

● 0-99.6%: DC มีตั้งแต่ 0% ถึง 99.6% และกำหนดเป็น IN+/256

● 0.39-100%: DC อยู่ในช่วง 0.39% ถึง 100% และถูกกำหนดเป็น (IN+ + 1)/256

ขั้นตอนที่ 6: การออกแบบ GreenPAK สำหรับการนำคลื่นสี่เหลี่ยมแบบ PWM ไปใช้

มีวิธีการควบคุมที่แตกต่างกันซึ่งสามารถนำมาใช้กับอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวได้ หนึ่งในกลยุทธ์การควบคุมดังกล่าวรวมถึงคลื่นสี่เหลี่ยมแบบ PWM สำหรับอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว

GreenPAK CMIC ใช้เพื่อสร้างรูปแบบการสลับเป็นระยะเพื่อแปลง DC เป็น AC ได้อย่างสะดวก แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงถูกป้อนจากแบตเตอรี่และสามารถใช้เอาต์พุตที่ได้รับจากอินเวอร์เตอร์เพื่อจ่ายไฟ AC ได้ สำหรับวัตถุประสงค์ของแอปพลิเคชันนี้ โปรดทราบว่าความถี่ AC ได้รับการตั้งค่าเป็น 50Hz ซึ่งเป็นความถี่ไฟฟ้าในครัวเรือนทั่วไปในหลายส่วนของโลก ตามลำดับ ระยะเวลาคือ 20ms

รูปแบบการสลับที่ต้องสร้างโดย GreenPAK สำหรับ SW1 และ SW4 แสดงในรูปที่ 3

รูปแบบการสลับสำหรับ SW2 และ SW3 แสดงในรูปที่ 4

รูปแบบการสลับข้างต้นสามารถสร้างได้อย่างสะดวกโดยใช้บล็อก PWM ช่วงเวลา PWM ถูกกำหนดโดยช่วงเวลาของ FSM1 ต้องตั้งค่าช่วงเวลาสำหรับ FSM1 เป็น 20ms ซึ่งสอดคล้องกับความถี่ 50Hz รอบการทำงานสำหรับบล็อก PWM ถูกควบคุมโดยข้อมูลที่มาจาก FSM0 เพื่อสร้างรอบการทำงาน 50% ค่าตัวนับ FSM0 ถูกตั้งค่าเป็น 128

การออกแบบ GreenPAK ที่สอดคล้องกันจะแสดงในรูปที่ 5

ขั้นตอนที่ 7: ข้อเสียของกลยุทธ์การควบคุมคลื่นสี่เหลี่ยม

การใช้กลยุทธ์การควบคุมคลื่นสี่เหลี่ยมทำให้อินเวอร์เตอร์สร้างฮาร์มอนิกจำนวนมาก นอกเหนือจากความถี่พื้นฐานแล้ว อินเวอร์เตอร์คลื่นสี่เหลี่ยมยังมีส่วนประกอบความถี่คี่ ฮาร์โมนิกเหล่านี้ทำให้ฟลักซ์ของเครื่องอิ่มตัว ส่งผลให้เครื่องทำงานได้ไม่ดี บางครั้งถึงกับสร้างความเสียหายให้กับฮาร์ดแวร์ ดังนั้น THD ที่ผลิตโดยอินเวอร์เตอร์ประเภทนี้จึงมีขนาดใหญ่มาก เพื่อที่จะเอาชนะปัญหานี้ เราสามารถใช้กลยุทธ์การควบคุมอื่นที่เรียกว่า Quasi-Square Wave เพื่อลดปริมาณฮาร์โมนิกที่ผลิตโดยอินเวอร์เตอร์ได้อย่างมาก

ขั้นตอนที่ 8: การออกแบบ GreenPAK สำหรับการนำคลื่นควอซิสแควร์ตาม PWM ไปใช้

ในกลยุทธ์การควบคุมคลื่นสี่เหลี่ยมจตุรัส แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตเป็นศูนย์ถูกนำมาใช้ ซึ่งสามารถลดฮาร์โมนิกที่มีอยู่ในรูปคลื่นสี่เหลี่ยมทั่วไปได้อย่างมาก ข้อดีที่สำคัญของการใช้อินเวอร์เตอร์คลื่นสี่เหลี่ยมจตุรัส ได้แก่:

● สามารถควบคุมแอมพลิจูดของส่วนประกอบพื้นฐานได้ (โดยการควบคุม α)

● สามารถกำจัดเนื้อหาฮาร์มอนิกบางอย่างได้ (โดยการควบคุม α ด้วย)

แอมพลิจูดของส่วนประกอบพื้นฐานสามารถควบคุมได้โดยการควบคุมค่าของ α ตามที่แสดงในสูตร 1

ฮาร์มอนิกที่ n สามารถกำจัดได้หากแอมพลิจูดของมันถูกทำให้เป็นศูนย์ ตัวอย่างเช่น แอมพลิจูดของฮาร์มอนิกที่สาม (n=3) เป็นศูนย์เมื่อ α = 30° (สูตร 2)

การออกแบบ GreenPAK สำหรับการใช้กลยุทธ์การควบคุมคลื่นสี่เหลี่ยมจตุรัสแสดงไว้ในรูปที่ 9

บล็อก PWM ใช้เพื่อสร้างรูปคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีรอบการทำงาน 50% แรงดันเอาต์พุตเป็นศูนย์นั้นถูกนำมาใช้โดยการหน่วงเวลาแรงดันไฟฟ้าที่ปรากฏบนเอาต์พุตพิน-15 บล็อก P-DLY1 ได้รับการกำหนดค่าให้ตรวจจับขอบที่เพิ่มขึ้นของรูปคลื่น P-DLY1 จะตรวจจับขอบที่เพิ่มขึ้นเป็นระยะหลังจากแต่ละช่วงเวลาและทริกเกอร์บล็อก DLY-3 ซึ่งสร้างการหน่วงเวลา 2 มิลลิวินาทีก่อนที่จะตอกบัตร VDD ข้าม D-flip flop เพื่อเปิดใช้งานเอาต์พุต Pin-15

Pin-15 สามารถทำให้ทั้ง SW1 และ SW4 เปิดได้ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น แรงดันบวกจะปรากฏขึ้นบนโหลด

กลไกการตรวจจับขอบที่เพิ่มขึ้น P-DLY1 ยังเปิดใช้งานบล็อก DLY-7 ซึ่งหลังจาก 8 มิลลิวินาทีจะรีเซ็ต D-flip flop และ 0 V จะปรากฏขึ้นที่เอาต์พุต

DLY-8 และ DLY-9 ก็ถูกกระตุ้นจากขอบที่เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกัน DLY-8 สร้างการหน่วงเวลา 10ms และทริกเกอร์ DLY-3 อีกครั้ง ซึ่งหลังจาก 2 มิลลิวินาทีจะตอกบัตร DFF ทำให้เกิดค่าตรรกะสูงในทั้งสองประตู AND

ณ จุดนี้ Out+ จากบล็อก PWM จะกลายเป็น 0 เนื่องจากรอบการทำงานของบล็อกถูกกำหนดค่าเป็น 50% Out- จะปรากฏบนพิน-16 ทำให้ SW2 และ SW3 เปิดขึ้นมา ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสลับระหว่างโหลด หลังจาก 18ms DLY-9 จะรีเซ็ต DFF และ 0V จะปรากฏขึ้นบน Pin-16 และวงจรเป็นระยะจะส่งสัญญาณ AC ต่อไป

การกำหนดค่าสำหรับบล็อก GreenPAK ต่างๆ แสดงในรูปที่ 10-14

ขั้นตอนที่ 9: ผลลัพธ์

แรงดันไฟ DC 12 V จ่ายจากแบตเตอรี่ไปยังอินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์แปลงแรงดันไฟฟ้านี้เป็นรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับ เอาต์พุตจากอินเวอร์เตอร์จะถูกป้อนไปยังหม้อแปลงแบบสเต็ปอัพซึ่งแปลงแรงดันไฟ AC 12 V เป็น 220 V ซึ่งสามารถใช้ในการขับเคลื่อนโหลด AC ได้

บทสรุป

ในคำแนะนำนี้ เราได้ใช้อินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวโดยใช้กลยุทธ์การควบคุม Square Wave และ Quasi Square Wave โดยใช้ GreenPAK a CMIC GreenPAK CMICs ทำหน้าที่แทนไมโครคอนโทรลเลอร์และวงจรแอนะล็อกที่สะดวกซึ่งใช้กันทั่วไปในการติดตั้งอินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียว นอกจากนี้ GreenPAK CMICs ยังมีศักยภาพในการออกแบบอินเวอร์เตอร์สามเฟส