Gate Driver Circuit voor driefasige omvormer - Ajarnpa

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-23 15:01

Dit project is eigenlijk een drivercircuit voor een apparaat genaamd SemiTeach dat we onlangs voor onze afdeling hebben gekocht. De afbeelding van het apparaat wordt weergegeven.

Door dit stuurcircuit aan te sluiten op 6 mosfets, worden drie 120 graden verschoven wisselspanningen gegenereerd. Het bereik is 600 V voor het SemiTeach-apparaat. Het apparaat heeft ook ingebouwde foutuitgangsterminals die een lage status geven wanneer een fout wordt gedetecteerd op een van de drie fasen

Omvormers worden vaak gebruikt in de energiesector om de gelijkspanning van vele generatiebronnen om te zetten in wisselspanningen voor eciënte transmissie en distributie. Bovendien worden ze ook gebruikt om energie te halen uit Uninterruptable Power Series (UPS). Omvormers hebben een Gate Driver Circuit nodig om de Power Electronics-schakelaars aan te drijven die in het circuit voor de conversie worden gebruikt. Er zijn veel soorten poortsignalen die kunnen worden geïmplementeerd. Het volgende rapport bespreekt het ontwerp en de implementatie van een Gate Driver Circuit voor een driefasige omvormer met 180 graden geleiding. Dit rapport richt zich op het ontwerp van het Gate Driver Circuit waarin de volledige ontwerpdetails zijn geschreven. Bovendien omvat dit project ook de bescherming van de microcontroller en het circuit tijdens de foutcondities. De output van het circuit is 6 PWM's voor 3 poten van de driefasige omvormer.

Stap 1: Literatuuroverzicht

Veel toepassingen in de energiesector vereisen de omzetting van gelijkspanning naar wisselspanning, zoals de aansluiting van zonnepanelen op het nationale elektriciteitsnet of om wisselstroomapparaten van stroom te voorzien. Deze conversie van DC naar AC wordt bereikt met behulp van omvormers. Op basis van het type voeding zijn er twee soorten omvormers: eenfasige omvormer en driefasige omvormer. Een enkelfasige omvormer neemt de gelijkspanning als invoer en zet deze om in eenfasige wisselspanning, terwijl een driefasige omvormer de gelijkspanning omzet in driefasige wisselspanning.

Afbeelding 1.1: Driefasige omvormer

Een driefasige omvormer maakt gebruik van 6 transistorschakelaars zoals hierboven weergegeven die worden aangedreven door PWM-signalen met behulp van Gate Driver Circuits.

De poortsignalen van de omvormer moeten een faseverschil van 120 graden hebben ten opzichte van elkaar om een driefasige gebalanceerde uitgang te verkrijgen. Er kunnen twee soorten stuursignalen worden toegepast om dit circuit te laten werken:

• 180 graden geleiding

• 120 graden geleiding

180 graden geleidingsmodus

In deze modus is elke transistor 180 graden ingeschakeld. En op elk moment blijven er drie transistors ingeschakeld, één transistor in elke tak. In één cyclus zijn er zes werkingsmodi en elke modus werkt gedurende 60 graden van de cyclus. De poortsignalen worden van elkaar verschoven met een faseverschil van 60 graden om een driefasige gebalanceerde voeding te verkrijgen.

Figuur 1.2: 180 graden geleiding

120 graden geleidingsmodus

In deze modus is elke transistor 120 graden ingeschakeld. En op elk moment geleiden slechts twee transistoren. Opgemerkt moet worden dat op elk moment, in elke tak, slechts één transistor aan mag staan. Er moet een faseverschil van 60 graden zijn tussen de PWM-signalen om een gebalanceerde driefasige AC-uitgang te krijgen.

Figuur 1.3: 120 graden geleiding

Controle dode tijd

Een zeer belangrijke voorzorgsmaatregel die moet worden genomen, is dat in één been beide transistoren niet tegelijkertijd aan mogen staan, anders zal de DC-bron kortsluiten en het circuit beschadigen. Daarom is het zeer essentieel om een zeer kort tijdsinterval toe te voegen tussen het uitschakelen van de ene transistor en het inschakelen van de andere transistor.

Stap 2: Blokdiagram

Stap 3: Componenten

In deze sectie worden details over design gepresenteerd en geanalyseerd.

Componentenlijst

• Optocoupler 4n35

• IR2110-stuurprogramma-IC

• Transistor 2N3904

• Diode (UF4007)

• Zenerdiodes

• Relais 5V

•EN-poort 7408

• ATiny85

Optocoupler

4n35 optocoupler is gebruikt voor optische isolatie van de microcontroller van de rest van het circuit. De geselecteerde weerstand is gebaseerd op de formule:

Weerstand = LedVoltage/CurrentRating

Weerstand = 1.35V/13.5mA

Weerstand = 100ohm

Uitgangsweerstand die fungeert als pull-down-weerstand is 10k ohm voor een juiste spanningsontwikkeling erover.

IR2110

Het is een gate-aansturende IC die typisch wordt gebruikt voor het aansturen van de MOSFET's. Het is een 500 V High and Low Side Driver IC met typische 2.5 A source en 2.5 A sink stromen in 14 Lead Packaging IC.

Bootstrap-condensator

Het belangrijkste onderdeel van driver-IC is de bootstrap-condensator. De bootstrap-condensator moet in staat zijn deze lading te leveren en zijn volledige spanning te behouden, anders zal er een aanzienlijke hoeveelheid rimpel op de Vbs-spanning zijn, die onder de Vbsuv-onderspanningsuitsluiting zou kunnen komen en ervoor kan zorgen dat de HO-uitgang niet meer functioneert. Daarom moet de lading in de Cbs-condensator minimaal twee keer de bovenstaande waarde zijn. De minimale condensatorwaarde kan worden berekend uit de onderstaande vergelijking.

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

Terwijl

Vf = Voorwaartse spanningsval over de bootstrap-diode

VLS = Spanningsval over de low-side FET (of belasting voor een high-side driver)

VMin= Minimale spanning tussen VB en VS

Qg= Poortlading van hoge zijde FET

F = werkfrequentie

Icbs(lek) = Bootstrap condensator lekstroom

Qls = niveauverschuivingslading vereist per cyclus

We hebben gekozen voor een waarde van 47uF.

Transistor 2N3904

De 2N3904 is een veelgebruikte NPN bipolaire junctietransistor die wordt gebruikt voor algemene versterkings- of schakeltoepassingen met laag vermogen. Het kan 200 mA stroom (absoluut maximum) en frequenties tot 100 MHz aan als het als versterker wordt gebruikt.

Diode (UF4007)

Een I-type halfgeleider met hoge weerstand wordt gebruikt om een aanzienlijk lagere diodecapaciteit (Ct) te leveren. Dientengevolge werken PIN-diodes als een variabele weerstand met voorwaartse voorspanning en gedragen ze zich als een condensator met omgekeerde voorspanning. Hoogfrequente kenmerken (lage capaciteit zorgt voor minimaal effect van signaallijnen) maken ze geschikt voor gebruik als variabele weerstandselementen in een breed scala aan toepassingen, waaronder verzwakkers, hoogfrequente signaalschakeling (d.w.z. mobiele telefoons die een antenne vereisen) en AGC-circuits.

Zenerdiode

Een zenerdiode is een bepaald type diode dat, in tegenstelling tot een normale, niet alleen stroom van de anode naar de kathode laat vloeien, maar ook in de omgekeerde richting, wanneer de zenerspanning wordt bereikt. Het wordt gebruikt als spanningsregelaar. Zenerdiodes hebben een sterk gedoteerde pn-overgang. Normale diodes zullen ook kapot gaan bij een sperspanning, maar de spanning en scherpte van de knie zijn niet zo goed gedefinieerd als bij een zenerdiode. Ook normale diodes zijn niet ontworpen om in het doorslaggebied te werken, maar zenerdiodes kunnen betrouwbaar werken in dit gebied.

Relais

Relais zijn schakelaars die circuits elektromechanisch of elektronisch openen en sluiten. Relais besturen een elektrisch circuit door contacten in een ander circuit te openen en te sluiten. Wanneer een relaiscontact normaal open is (NO), is er een open contact wanneer het relais niet bekrachtigd is. Wanneer een relaiscontact normaal gesloten (NC) is, is er een gesloten contact wanneer het relais niet bekrachtigd is. In beide gevallen zal het toepassen van elektrische stroom op de contacten hun status veranderen

EN POORT 7408

Een logische EN-poort is een type digitale logische poort waarvan de uitvoer HOOG wordt naar een logisch niveau 1 wanneer alle ingangen HOOG zijn

ATiny85

Het is een low-power Microchip 8-bit AVR RISC-gebaseerde microcontroller die 8KB ISP-flashgeheugen, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 algemene I/O-lijnen, 32 algemene werkregisters, één 8-bit timer/teller combineert. met vergelijkingsmodi, een 8-bit high-speed timer/teller, USI, interne en externe onderbrekingen, 4-kanaals 10-bit A/D-converter.

Stap 4: Werken en circuit uitgelegd

In deze sectie wordt de werking van de schakeling in detail uitgelegd.

PWM-generatie

PWM is gegenereerd vanuit STM-microcontroller. TIM3, TIM4 en TIM5 zijn gebruikt om drie PWM's met een inschakelduur van 50 procent te genereren. De faseverschuiving van 60 graden werd opgenomen tussen drie PWM's met behulp van tijdvertraging. Voor 50 Hz PWM-signaal werd de volgende methode gebruikt om de vertraging te berekenen:

vertraging = TijdPeriode (60/360)

vertraging = 20ms∗60/360

vertraging = 3,3 ms

Microcontroller-isolatie met behulp van Optocoupler

Isolatie tussen microcontroller en de rest van het circuit is gedaan met behulp van optocoupler 4n35. De isolatiespanning van 4n35 is ongeveer 5000 V. Het wordt gebruikt voor de bescherming van de microcontroller tegen de tegenstromen. Omdat een microcontroller geen negatieve spanning kan verdragen, wordt daarom voor de bescherming van de microcontroller een optocoupler gebruikt.

Gate Driving CircuitIR2110 driver IC is gebruikt om schakelende PWM's te leveren aan de MOSFET's. Aan de ingang van het IC zijn PWM's van de microcontroller voorzien. Omdat IR2110 niet de ingebouwde NOT Gate heeft, wordt BJT gebruikt als een omvormer voor de pin Lin. Het geeft dan de complementaire PWM's aan de MOSFET's die moeten worden aangestuurd

Fout detectie

De SemiTeach-module heeft 3 foutpinnen die normaal gesproken HOOG zijn bij 15 V. Wanneer er een fout in het circuit is, gaat een van de pinnen naar het niveau LAAG. Ter bescherming van de componenten van het circuit moet het circuit worden uitgeschakeld tijdens foutcondities. Dit werd bereikt met behulp van AND Gate, ATiny85 Microcontroller en een 5 V-relais. Gebruik van EN-poort

De invoer naar de EN-poort zijn 3 foutpinnen die in normale toestand in de HOGE toestand zijn, dus de uitvoer van de EN-poort is HOOG in normale omstandigheden. Zodra er een fout is, gaan de pinnen naar 0 V en dus wordt de uitgang van de EN-poort LAAG. Dit kan worden gebruikt om te controleren of er een fout is of niet in het circuit. De Vcc naar de EN-poort wordt geleverd via een zenerdiode.

De Vcc door ATiny85. snijden

De output van de AND Gate wordt naar de ATiny85 Microcontroller gestuurd die een interrupt genereert zodra er een fout is. Dit drijft het relais verder aan, dat de Vcc van alle componenten afsnijdt, behalve ATiny85.

Stap 5: Simulatie

Voor de simulatie hebben we de PWM's van de functiegenerator in het Proteus-model gebruikt in plaats van het STMf401-model, omdat dit niet beschikbaar is op Proteus. We hebben Opto-Coupler 4n35 gebruikt voor de isolatie tussen microcontroller en de rest van het circuit. IR2103 wordt in de simulaties gebruikt als een stroomversterker die ons complementaire PWM's geeft.

Schematisch diagram Het schematisch diagram wordt als volgt gegeven:

High Side Output Deze output ligt tussen HO en Vs. De volgende afbeelding toont de uitvoer van de drie PWM's aan de hoge kant.

Low Side Output Deze uitgang ligt tussen LO en COM. De volgende afbeelding toont de uitvoer van de drie PWM's aan de hoge kant.

Stap 6: Schematische en PCB-layout

Het schema en de PCB-layout gemaakt op Proteus is getoond

Stap 7: Hardwareresultaten

Complementaire PWM's

De volgende afbeelding toont de uitvoer van een van de IR2110 die complementair is:

PWM van fase A en B

De fase A en B van zijn 60 graden in fase verschoven. Het wordt weergegeven in de afbeelding

PWM van fase A en C

De fase A en C van zijn -60 graden in fase verschoven. Het wordt weergegeven in de afbeelding

Stap 8: Coderen

Code is ontwikkeld in Atollic TrueStudio. Om Atollic te installeren kun je mijn eerdere tutorials bekijken of online downloaden.

Het volledige project is toegevoegd.

Stap 9: Bedankt

In navolging van mijn traditie wil ik mijn groepsleden bedanken die me hebben geholpen bij het voltooien van dit geweldige project.

Ik hoop dat dit instructable je helpt.

Dit ben ik die me afmeldt:)

Met vriendelijke groet

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan