วงจรขับเกทสำหรับอินเวอร์เตอร์สามเฟส: 9 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

โครงการนี้โดยพื้นฐานแล้วจะเป็นวงจรขับสำหรับอุปกรณ์ที่เรียกว่า SemiTeach ซึ่งเราเพิ่งซื้อให้กับแผนกของเรา รูปภาพของอุปกรณ์จะปรากฏขึ้น

การเชื่อมต่อวงจรไดรเวอร์นี้กับ 6 มอสเฟตจะสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 120 องศาสามระดับ ช่วงคือ 600 V สำหรับอุปกรณ์ SemiTeach อุปกรณ์ยังมีเทอร์มินัลเอาท์พุตข้อผิดพลาดในตัวที่ให้สถานะต่ำเมื่อตรวจพบข้อผิดพลาดในสามเฟส

อินเวอร์เตอร์มักใช้ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของแหล่งกำเนิดหลายรุ่นให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อการส่งและการกระจายที่มีประสิทธิภาพ เทอร์โมเทอร์ที่ทำจากขนสัตว์ยังใช้เพื่อดึงพลังงานจาก Uninterruptable Power Series (UPS) อินเวอร์เตอร์จำเป็นต้องมี Gate Driver Circuit เพื่อขับเคลื่อนสวิตช์ Power Electronics ที่ใช้ในวงจรสำหรับการแปลง มี Gate Signals หลายประเภทที่สามารถนำไปปฏิบัติได้ รายงานต่อไปนี้กล่าวถึงการออกแบบและการใช้งานวงจร Gate Driver สำหรับอินเวอร์เตอร์สามเฟสโดยใช้การนำไฟฟ้า 180 องศา รายงานนี้เน้นที่การออกแบบของ Gate Driver Circuit ซึ่งเขียนรายละเอียดการออกแบบทั้งหมดไว้ นอกจากนี้ โครงการนี้ยังครอบคลุมถึงการป้องกันของไมโครคอนโทรลเลอร์และวงจรระหว่างสภาวะข้อผิดพลาด เอาต์พุตของวงจรคือ 6 PWM สำหรับ 3 ขาของอินเวอร์เตอร์สามเฟส

ขั้นตอนที่ 1: การทบทวนวรรณกรรม

การใช้งานในอุตสาหกรรมไฟฟ้าจำนวนมากต้องการการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น การเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์กับกริดแห่งชาติ หรือเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ การแปลง DC เป็น AC ทำได้โดยใช้อินเวอร์เตอร์ ตามประเภทของการจ่ายไฟ อินเวอร์เตอร์มีสองประเภท: อินเวอร์เตอร์เฟสเดียวและอินเวอร์เตอร์สามเฟส อินเวอร์เตอร์แบบเฟสเดียวใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นอินพุตและแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแบบเฟสเดียว ในขณะที่ตัวแปลงอินเวอร์เตอร์สามเฟสจะแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส

รูปที่ 1.1: อินเวอร์เตอร์สามเฟส

อินเวอร์เตอร์สามเฟสใช้สวิตช์ทรานซิสเตอร์ 6 ตัวดังที่แสดงด้านบนซึ่งขับเคลื่อนโดยสัญญาณ PWM โดยใช้วงจรควบคุมเกต

Gating Signals ของอินเวอร์เตอร์ควรมีเฟสไดเร็กเตอร์ 120 องศาโดยสัมพันธ์กันเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่สมดุลสามเฟส สามารถใช้สัญญาณควบคุมได้ 2 แบบเพื่อรันวงจรนี้

• การนำไฟฟ้า 180 องศา

• การนำไฟฟ้า 120 องศา

โหมดการนำไฟฟ้า 180 องศา

ในโหมดนี้ ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะเปิด 180 องศา และเมื่อใดก็ตาม ทรานซิสเตอร์สามตัวยังคงเปิดอยู่ หนึ่งทรานซิสเตอร์ในแต่ละสาขา ในหนึ่งรอบ มีโหมดการทำงานหกโหมดและแต่ละโหมดทำงานสำหรับรอบ 60 องศา สัญญาณเกทจะถูกเปลี่ยนจากกันโดยเฟสไดเร็นซ์ที่ 60 องศา เพื่อให้ได้แหล่งจ่ายที่สมดุลแบบสามเฟส

รูปที่ 1.2: การนำไฟฟ้า 180 องศา

โหมดการนำไฟฟ้า 120 องศา

ในโหมดนี้ ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะเปิด 120 องศา และในเวลาใด ๆ มีเพียงทรานซิสเตอร์สองตัวเท่านั้นที่ดำเนินการ ควรสังเกตว่าในแต่ละสาขาควรเปิดทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวเท่านั้น ควรมีเฟสที่แตกต่างกัน 60 องศาระหว่างสัญญาณ PWM เพื่อให้ได้เอาท์พุต AC สามเฟสที่สมดุล

รูปที่ 1.3: การนำ 120 องศา

การควบคุมเวลาตาย

ข้อควรระวังที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ต้องทำคือขาข้างหนึ่ง ไม่ควรเปิดทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวพร้อมกัน ไม่เช่นนั้นแหล่งจ่ายกระแสตรงจะลัดวงจรและวงจรได้รับความเสียหาย ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเพิ่มช่วงเวลาที่สั้นมากระหว่างการหมุนของทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งกับการเปิดทรานซิสเตอร์อีกตัวหนึ่ง

ขั้นตอนที่ 2: บล็อกไดอะแกรม

ขั้นตอนที่ 3: ส่วนประกอบ

ในส่วนนี้จะนำเสนอรายละเอียดเกี่ยวกับการออกแบบและวิเคราะห์

รายการส่วนประกอบ

• ออปโตคัปเปลอร์ 4n35

• ไอซีไดรเวอร์ IR2110

• ทรานซิสเตอร์ 2N3904

• ไดโอด (UF4007)

• ซีเนอร์ไดโอด

• รีเลย์ 5V

•และประตู 7408

• ATiny85

ออปโตคัปเปลอร์

ออปโตคัปเปลอร์ 4n35 ใช้สำหรับการแยกไมโครคอนโทรลเลอร์ด้วยแสงของไมโครคอนโทรลเลอร์จากส่วนที่เหลือของวงจร ความต้านทานที่เลือกขึ้นอยู่กับสูตร:

ความต้านทาน = LedVoltage/CurrentRating

ความต้านทาน = 1.35V/13.5mA

ความต้านทาน = 100ohms

ความต้านทานเอาต์พุตที่ทำหน้าที่เป็นความต้านทานการดึงลงคือ 10k ohm สำหรับการพัฒนาแรงดันไฟที่เหมาะสม

IR 2110

เป็น IC ขับเกตที่มักใช้สำหรับขับ MOSFET เป็น IC ไดรเวอร์สูงและต่ำ 500 V ที่มีแหล่งกำเนิด 2.5 A ทั่วไปและกระแสจม 2.5 A ใน 14 Lead Packaging IC

ตัวเก็บประจุ Bootstrap

องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของไดรเวอร์ IC คือตัวเก็บประจุแบบบูตสแตรป ตัวเก็บประจุแบบบูตสแตรปต้องสามารถจ่ายประจุนี้และคงแรงดันไฟฟ้าไว้ได้เต็มที่ ไม่เช่นนั้นจะเกิดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้า Vbs ในปริมาณมาก ซึ่งอาจต่ำกว่าการล็อกเอาต์แรงดันตกของ Vbsuv และทำให้เอาต์พุต HO หยุดทำงาน ดังนั้นประจุในตัวเก็บประจุ Cbs จะต้องไม่น้อยกว่าสองเท่าของค่าข้างต้น ค่าตัวเก็บประจุขั้นต่ำสามารถคำนวณได้จากสมการด้านล่าง

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

ในทางตรงกันข้าม

Vf= แรงดันตกไปข้างหน้าบนไดโอดบูตสแตรป

VLS= แรงดันตกคร่อม FET ด้านต่ำ (หรือโหลดสำหรับไดรเวอร์ด้านสูง)

VMin= แรงดันไฟต่ำสุดระหว่าง VB และ VS

Qg= ค่าเกตของ FET. ด้านสูง

F= ความถี่ในการทำงาน

Icbs (รั่ว) = กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุ Bootstrap

Qls = ค่ากะระดับที่ต้องการต่อรอบ

เราได้เลือกค่า 47uF

ทรานซิสเตอร์ 2N3904

2N3904 เป็นทรานซิสเตอร์แบบแยกสองขั้ว NPN ทั่วไปที่ใช้สำหรับการขยายหรือสลับการใช้งานทั่วไปที่ใช้พลังงานต่ำ สามารถรองรับกระแสไฟ 200 mA (สูงสุดแน่นอน) และความถี่สูงถึง 100 MHz เมื่อใช้เป็นเครื่องขยายเสียง

ไดโอด (UF4007)

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด I ที่มีความต้านทานสูงถูกใช้เพื่อให้ความจุไดโอด (Ct) ต่ำลงอย่างเห็นได้ชัด ผลที่ได้คือ ไดโอด PIN ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานผันแปรที่มีอคติไปข้างหน้า และทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุที่มีอคติแบบย้อนกลับ ลักษณะเฉพาะของความถี่สูง (ความจุต่ำช่วยให้แน่ใจได้ว่าสายสัญญาณมีความแม่นยำน้อยที่สุด) ทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นองค์ประกอบตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงตัวลดทอนสัญญาณ การสลับสัญญาณความถี่สูง (เช่น โทรศัพท์มือถือที่ต้องใช้เสาอากาศ) และวงจร AGC

ซีเนอร์ไดโอด

ซีเนอร์ไดโอดเป็นไดโอดประเภทหนึ่งซึ่งไม่เหมือนกับไดโอดปกติ อนุญาตให้กระแสไฟไม่เพียงแต่จากแอโนดไปยังแคโทดเท่านั้น แต่ยังอยู่ในทิศทางย้อนกลับเมื่อถึงแรงดันซีเนอร์ ใช้เป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า ซีเนอร์ไดโอดมีจุดเชื่อมต่อ p-n ที่มีสารเจือสูง ไดโอดปกติจะพังด้วยแรงดันย้อนกลับ แต่แรงดันและความแหลมของหัวเข่าไม่ได้ถูกกำหนดไว้อย่างดีเท่ากับไดโอดซีเนอร์ นอกจากนี้ ไดโอดปกติไม่ได้ออกแบบมาให้ทำงานในบริเวณที่เกิดการพังทลาย แต่ไดโอดซีเนอร์สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในภูมิภาคนี้

รีเลย์

รีเลย์คือสวิตช์ที่เปิดและปิดวงจรไฟฟ้าหรือทางอิเล็กทรอนิกส์ รีเลย์ควบคุมวงจรไฟฟ้าหนึ่งวงจรโดยการเปิดและปิดหน้าสัมผัสในอีกวงจรหนึ่ง เมื่อปกติหน้าสัมผัสรีเลย์เปิดอยู่ (NO) จะมีหน้าสัมผัสเปิดเมื่อรีเลย์ไม่มีกระแสไฟ เมื่อหน้าสัมผัสรีเลย์ปิดตามปกติ (NC) จะมีหน้าสัมผัสปิดเมื่อรีเลย์ไม่ได้รับพลังงาน ไม่ว่าในกรณีใด การใช้กระแสไฟฟ้ากับหน้าสัมผัสจะเปลี่ยนสถานะ

และประตู 7408

ลอจิกและเกทเป็นลอจิกเกตชนิดหนึ่งที่มีเอาต์พุตสูงเป็นลอจิกระดับ 1 เมื่ออินพุตทั้งหมดสูง

ATiny85

เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ AVR RISC แบบ 8 บิตของ Microchip ที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งรวมหน่วยความจำ 8KB ISP flash, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, สาย I/O วัตถุประสงค์ทั่วไป 6 รายการ, รีจิสเตอร์การทำงานเอนกประสงค์ 32 รายการ, ตัวจับเวลา/ตัวนับ 8 บิตหนึ่งตัว ด้วยโหมดเปรียบเทียบ ตัวจับเวลา/ตัวนับความเร็วสูง 8 บิตหนึ่งตัว USI การขัดจังหวะภายในและภายนอก ตัวแปลง A/D 10 บิต 4 ช่องสัญญาณ

ขั้นตอนที่ 4: อธิบายการทำงานและวงจร

ในส่วนนี้จะอธิบายการทำงานของวงจรโดยละเอียด

การสร้าง PWM

PWM ถูกสร้างขึ้นจากไมโครคอนโทรลเลอร์ STM TIM3, TIM4 และ TIM5 ถูกใช้เพื่อสร้าง PWM สามชุดที่มีรอบการทำงาน 50 เปอร์เซ็นต์ การเปลี่ยนเฟส 60 องศาถูกรวมไว้ระหว่าง PWM สามตัวโดยใช้การหน่วงเวลา สำหรับสัญญาณ PWM 50 Hz จะใช้วิธีการต่อไปนี้ในการคำนวณความล่าช้า

ล่าช้า = ระยะเวลา∗60/360

ล่าช้า = 20ms∗60/360

ล่าช้า = 3.3ms

การแยกไมโครคอนโทรลเลอร์โดยใช้ Optocoupler

การแยกระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์กับวงจรที่เหลือทำได้โดยใช้ออปโตคัปเปลอร์ 4n35 แรงดันแยกของ 4n35 อยู่ที่ประมาณ 5,000 V. ใช้สำหรับป้องกันไมโครคอนโทรลเลอร์จากกระแสย้อนกลับ เนื่องจากไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่สามารถรับแรงดันลบได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันไมโครคอนโทรลเลอร์จึงใช้ออปโตคัปเปลอร์

Gate Driving Circuit IR2110 ไดรเวอร์ IC ถูกนำมาใช้เพื่อให้การสลับ PWMs เป็น MOSFET มีการจัดเตรียม PWM จากไมโครคอนโทรลเลอร์ที่อินพุตของ IC เนื่องจาก IR2110 ไม่มี NOT Gate ในตัวจึงใช้ BJT เป็นอินเวอร์เตอร์ไปยังพิน Lin จากนั้นจะให้ PWM เสริมแก่ MOSFET ซึ่งจะถูกขับเคลื่อน

การตรวจจับข้อผิดพลาด

โมดูล SemiTeach มีพินข้อผิดพลาด 3 อัน ซึ่งปกติจะสูงที่ 15 V เมื่อใดก็ตามที่มีข้อผิดพลาดใดๆ ในวงจร พินตัวใดตัวหนึ่งจะไปที่ระดับ LOW เพื่อป้องกันส่วนประกอบของวงจร ต้องตัดวงจร off ระหว่างสภาวะผิดพลาด ทำได้โดยใช้ AND Gate, ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATiny85 และรีเลย์ 5 V การใช้ AND Gate

อินพุตไปยังเกต AND เป็นพินข้อผิดพลาด 3 อันซึ่งอยู่ในสถานะ HIGH ในสภาวะปกติ ดังนั้นเอาต์พุตของ AND Gate จึงสูงในสภาวะปกติ ทันทีที่มีข้อผิดพลาด หมุดตัวหนึ่งจะไปที่ 0 V และด้วยเหตุนี้เอาต์พุตของเกต AND จึงต่ำ สามารถใช้ตรวจสอบว่ามีข้อผิดพลาดหรือไม่ในวงจร Vcc ไปยังประตู AND มีให้ผ่าน Zener Diode

ตัด Vcc ผ่าน ATiny85

เอาต์พุตของเกต AND ถูกป้อนไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ ATiny85 ซึ่งสร้างการขัดจังหวะทันทีที่มีข้อผิดพลาด สิ่งนี้จะขับเคลื่อนรีเลย์ซึ่งตัด off Vcc ของส่วนประกอบทั้งหมดยกเว้น ATiny85

ขั้นตอนที่ 5: การจำลอง

สำหรับการจำลอง เราได้ใช้ PWM จากตัวสร้างฟังก์ชันใน Proteus มากกว่ารุ่น STMf401 เนื่องจากไม่มีใน Proteus เราใช้ Opto-Coupler 4n35 เพื่อแยกระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์กับส่วนที่เหลือของวงจร IR2103 ใช้ในการจำลองเสมือนเป็นเครื่องขยายสัญญาณปัจจุบัน ซึ่งให้ PWM เสริมแก่เรา

แผนผังไดอะแกรมแผนผังไดอะแกรมได้รับดังต่อไปนี้:

High Side Output เอาต์พุตนี้อยู่ระหว่าง HO และ Vs รูปต่อไปนี้แสดงเอาต์พุตของ PWM ด้านสูงสามตัว

เอาต์พุตด้านต่ำเอาต์พุตนี้อยู่ระหว่าง LO และ COM รูปต่อไปนี้แสดงเอาต์พุตของ PWM ด้านสูงสามตัว

ขั้นตอนที่ 6: แผนผังและเค้าโครง PCB

เค้าโครงแผนผังและ PCB ที่สร้างบน Proteus ได้รับการแสดงแล้ว

ขั้นตอนที่ 7: ผลลัพธ์ฮาร์ดแวร์

PWM เสริม

รูปต่อไปนี้แสดงผลลัพธ์ของหนึ่งใน IR2110 ซึ่งเป็นส่วนเสริม

PWM ของเฟส A และ B

เฟส A และ B ถูกเปลี่ยนเฟส 60 องศา แสดงในภาพประกอบ

PWM ของเฟส A และ C

เฟส A และ C ถูกเปลี่ยนเฟส -60 องศา แสดงในภาพประกอบ

ขั้นตอนที่ 8: การเข้ารหัส

รหัสได้รับการพัฒนาใน Atolic TrueStudio ในการติดตั้ง Atolic คุณสามารถดูบทช่วยสอนก่อนหน้าของฉันหรือดาวน์โหลดออนไลน์

เพิ่มโครงการที่สมบูรณ์แล้ว

ขั้นตอนที่ 9: ขอบคุณ

ตามประเพณีของฉัน ฉันขอขอบคุณสมาชิกในกลุ่มที่ช่วยฉันในการทำโครงการที่ยอดเยี่ยมนี้ให้สำเร็จ

หวังว่าคำแนะนำนี้จะช่วยคุณได้

นี่คือฉันออกจากระบบ:)

ขอแสดงความนับถืออย่างสูง

ตาฮีร์ อุลฮัก

EE, UET LHR ปากีสถาน