Gate-Treiberschaltung für dreiphasigen Wechselrichter - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Dieses Projekt ist im Grunde eine Treiberschaltung für eine Ausrüstung namens SemiTeach, die wir kürzlich für unsere Abteilung gekauft haben. Das Bild des Geräts wird angezeigt.

Das Anschließen dieser Treiberschaltung an 6 Mosfets erzeugt drei um 120 Grad verschobene Wechselspannungen. Der Bereich beträgt 600 V für das SemiTeach-Gerät. Das Gerät verfügt auch über eingebaute Fehlerausgangsklemmen, die einen niedrigen Zustand ausgeben, wenn ein Fehler an einer der drei Phasen erkannt wird

Wechselrichter werden häufig in der Energiewirtschaft verwendet, um die Gleichspannung vieler Erzeugungsquellen in Wechselspannungen für eine effiziente Übertragung und Verteilung umzuwandeln. Darüber hinaus werden sie auch zur Energiegewinnung aus der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) eingesetzt. Wechselrichter benötigen eine Gate-Treiberschaltung, um die Leistungselektronikschalter anzusteuern, die in der Schaltung für die Umwandlung verwendet werden. Es gibt viele Arten von Gate-Signalen, die implementiert werden können. Der folgende Bericht behandelt das Design und die Implementierung einer Gate-Treiberschaltung für einen Dreiphasen-Wechselrichter mit 180-Grad-Leitung. Dieser Bericht konzentriert sich auf das Design der Gate-Treiberschaltung, in dem die vollständigen Designdetails geschrieben sind. Darüber hinaus kapselt dieses Projekt auch den Schutz des Mikrocontrollers und der Schaltung während der Fehlerbedingungen. Der Ausgang der Schaltung beträgt 6 PWMs für 3 Zweige des Dreiphasen-Wechselrichters.

Schritt 1: Literaturübersicht

Viele Anwendungen in der Energiewirtschaft erfordern die Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, wie z. B. der Anschluss von Solarmodulen an das nationale Stromnetz oder zum Betreiben von Wechselstromgeräten. Diese Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom wird mit Wechselrichtern erreicht. Je nach Art der Versorgung gibt es zwei Arten von Wechselrichtern: Einphasen-Wechselrichter und Dreiphasen-Wechselrichter. Ein Einphasen-Wechselrichter nimmt die Gleichspannung als Eingang und wandelt sie in Einphasen-Wechselspannung um, während ein Dreiphasen-Wechselrichter die Gleichspannung in Dreiphasen-Wechselspannung umwandelt.

Abbildung 1.1: Dreiphasen-Wechselrichter

Ein dreiphasiger Wechselrichter verwendet 6 Transistorschalter, wie oben gezeigt, die von PWM-Signalen unter Verwendung von Gate-Treiberschaltungen angesteuert werden.

Die Gating-Signale des Wechselrichters sollten eine Phasendifferenz von 120 Grad zueinander aufweisen, um einen dreiphasigen symmetrischen Ausgang zu erhalten. Zwei Arten von Steuersignalen können angewendet werden, um diese Schaltung zu betreiben

• 180-Grad-Leitung

• 120-Grad-Leitung

180-Grad-Leitungsmodus

In diesem Modus wird jeder Transistor für 180 Grad eingeschaltet. Und zu jeder Zeit bleiben drei Transistoren eingeschaltet, ein Transistor in jedem Zweig. In einem Zyklus gibt es sechs Betriebsmodi und jeder Modus arbeitet für 60 Grad des Zyklus. Die Ansteuersignale sind um eine Phasendifferenz von 60 Grad gegeneinander verschoben, um eine dreiphasige symmetrische Versorgung zu erhalten.

Abbildung 1.2: 180-Grad-Leitung

120-Grad-Leitungsmodus

In diesem Modus wird jeder Transistor für 120 Grad eingeschaltet. Und zu jeder Zeit leiten nur zwei Transistoren. Es sollte beachtet werden, dass zu jeder Zeit in jedem Zweig nur ein Transistor eingeschaltet sein sollte. Es sollte eine Phasendifferenz von 60 Grad zwischen den PWM-Signalen bestehen, um einen symmetrischen dreiphasigen AC-Ausgang zu erhalten.

Abbildung 1.3: 120-Grad-Leitung

Totzeitsteuerung

Eine sehr wichtige Vorsichtsmaßnahme besteht darin, dass in einem Bein nicht beide Transistoren gleichzeitig eingeschaltet sein sollten, da sonst die DC-Quelle kurzgeschlossen und der Stromkreis beschädigt wird. Daher ist es sehr wichtig, ein sehr kurzes Zeitintervall zwischen dem Ausschalten eines Transistors und dem Einschalten des anderen Transistors hinzuzufügen.

Schritt 2: Blockdiagramm

Schritt 3: Komponenten

In diesem Abschnitt werden Details zum Design vorgestellt und analysiert.

Komponentenliste

• Optokoppler 4n35

• IR2110 Treiber-IC

• Transistor 2N3904

• Diode (UF4007)

• Zener-Dioden

• Relais 5V

•UND-Gatter 7408

• ATiny85

Optokoppler

Zur optischen Trennung des Mikrocontrollers vom Rest der Schaltung wurde ein 4n35 Optokoppler verwendet. Der gewählte Widerstand basiert auf der Formel:

Widerstand = LedVoltage/CurrentRating

Widerstand = 1,35V/13,5mA

Widerstand = 100 Ohm

Der als Pulldown-Widerstand wirkende Ausgangswiderstand beträgt 10 kOhm für eine ordnungsgemäße Spannungsentwicklung.

IR 2110

Es handelt sich um einen Gate-Treiber-IC, der typischerweise zum Treiben der MOSFETs verwendet wird. Es ist ein 500-V-High- und Low-Side-Treiber-IC mit typischen 2,5-A-Source- und 2,5-A-Senken-Strömen in einem 14-Leiter-Packaging-IC.

Bootstrap-Kondensator

Die wichtigste Komponente des Treiber-ICs ist der Bootstrap-Kondensator. Der Bootstrap-Kondensator muss in der Lage sein, diese Ladung zu liefern und seine volle Spannung beizubehalten, andernfalls tritt eine erhebliche Welligkeit der Vbs-Spannung auf, die unter die Vbsuv-Unterspannungssperre fallen und dazu führen könnte, dass der HO-Ausgang nicht mehr funktioniert. Daher muss die Ladung im Cbs-Kondensator mindestens das Doppelte des obigen Wertes betragen. Der minimale Kondensatorwert kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden.

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

Wohingegen

Vf= Durchlassspannungsabfall an der Bootstrap-Diode

VLS = Spannungsabfall über dem Low-Side-FET (oder der Last für einen High-Side-Treiber)

VMin= Mindestspannung zwischen VB und VS

Qg= Gate-Ladung des High-Side-FET

F= Betriebshäufigkeit

Icbs(Leck) = Bootstrap-Kondensator-Leckstrom

Qls = pro Zyklus erforderliche Level-Shift-Ladung

Wir haben einen Wert von 47uF gewählt.

Transistor 2N3904

Der 2N3904 ist ein gewöhnlicher NPN-Bipolartransistor, der für universelle Verstärker- oder Schaltanwendungen mit geringer Leistung verwendet wird. Er kann 200 mA Strom (absolutes Maximum) und Frequenzen bis zu 100 MHz verarbeiten, wenn er als Verstärker verwendet wird.

Diode (UF4007)

Ein Halbleiter vom Typ I mit hohem spezifischen Widerstand wird verwendet, um eine deutlich niedrigere Diodenkapazität (Ct) bereitzustellen. Als Ergebnis wirken PIN-Dioden als variabler Widerstand mit Vorwärtsvorspannung und verhalten sich wie ein Kondensator mit Rückwärtsvorspannung. Hochfrequenzeigenschaften (niedrige Kapazität gewährleistet minimalen Einfluss der Signalleitungen) machen sie für den Einsatz als variable Widerstandselemente in einer Vielzahl von Anwendungen geeignet, einschließlich Dämpfungsgliedern, Hochfrequenzsignalumschaltung (z. B. Mobiltelefone, die eine Antenne erfordern) und AGC-Schaltungen.

Zener-Diode

Eine Zener-Diode ist eine besondere Art von Diode, die im Gegensatz zu einer normalen nicht nur Strom von ihrer Anode zur Kathode, sondern auch in Sperrrichtung fließen lässt, wenn die Zener-Spannung erreicht wird. Es wird als Spannungsregler verwendet. Zener-Dioden haben einen hochdotierten p-n-Übergang. Normale Dioden brechen auch bei einer Sperrspannung durch, aber die Spannung und die Schärfe des Knies sind nicht so gut definiert wie bei einer Zener-Diode. Auch normale Dioden sind nicht dafür ausgelegt, im Durchbruchsbereich zu arbeiten, Zener-Dioden können jedoch in diesem Bereich zuverlässig arbeiten.

Relais

Relais sind Schalter, die Stromkreise elektromechanisch oder elektronisch öffnen und schließen. Relais steuern einen Stromkreis, indem sie Kontakte in einem anderen Stromkreis öffnen und schließen. Wenn ein Relaiskontakt normalerweise geöffnet ist (NO), liegt ein offener Kontakt vor, wenn das Relais nicht erregt ist. Wenn ein Relaiskontakt normalerweise geschlossen ist (NC), liegt ein geschlossener Kontakt vor, wenn das Relais nicht erregt ist. In beiden Fällen ändert das Anlegen von elektrischem Strom an die Kontakte ihren Zustand

UND TOR 7408

Ein logisches UND-Gatter ist eine Art digitales Logikgatter, dessen Ausgang HIGH auf einen logischen Pegel 1 geht, wenn alle seine Eingänge HIGH sind

ATiny85

Es ist ein stromsparender Microchip 8-Bit AVR RISC-basierter Mikrocontroller, der 8 KB ISP-Flash-Speicher, 512 B EEPROM, 512 Byte SRAM, 6 Allzweck-I/O-Leitungen, 32 Allzweck-Arbeitsregister, einen 8-Bit-Timer/-Zähler kombiniert mit Vergleichsmodi, einem 8-Bit-Hochgeschwindigkeits-Timer/-Zähler, USI, internen und externen Interrupts, 4-Kanal-10-Bit-A/D-Wandler.

Schritt 4: Funktionsweise und Schaltung erklärt

In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise der Schaltung im Detail erklärt.

PWM-Erzeugung

PWM wurde vom STM-Mikrocontroller erzeugt. TIM3, TIM4 und TIM5 wurden verwendet, um drei PWMs mit einem Tastverhältnis von 50 Prozent zu erzeugen. Die Phasenverschiebung von 60 Grad wurde zwischen drei PWMs mit Zeitverzögerung eingebaut. Für ein 50-Hz-PWM-Signal wurde die folgende Methode verwendet, um die Verzögerung zu berechnen

Verzögerung = TimePeriod∗60/360

Verzögerung = 20ms∗60/360

Verzögerung = 3,3 ms

Mikrocontroller-Isolation mit Optokoppler

Die Isolierung zwischen Mikrocontroller und dem Rest der Schaltung wurde mit Optokoppler 4n35 durchgeführt. Die Isolationsspannung von 4n35 beträgt ca. 5000 V. Sie dient dem Schutz des Mikrocontrollers vor Rückströmen. Da ein Mikrocontroller keine negative Spannung aushalten kann, wird zum Schutz des Mikrocontrollers ein Optokoppler verwendet.

Gate-TreiberschaltungIR2110-Treiber-IC wurde verwendet, um Schalt-PWMs für die MOSFETs bereitzustellen. Am Eingang des ICs wurden PWMs vom Mikrocontroller bereitgestellt. Da IR2110 nicht über das eingebaute NOT Gate verfügt, wird BJT als Inverter zum Pin Lin verwendet. Es gibt dann die komplementären PWMs an die MOSFETs, die angesteuert werden sollen

Fehlererkennung

Das SemiTeach-Modul hat 3 Fehlerpins, die bei 15 V normalerweise HIGH sind. Bei einem Fehler in der Schaltung geht einer der Pins auf LOW-Pegel. Zum Schutz der Komponenten der Schaltung muss die Schaltung im Fehlerfall abgeschaltet werden. Dies wurde mit UND-Gatter, ATiny85-Mikrocontroller und einem 5-V-Relais erreicht. Verwendung von UND-Gatter

Der Eingang zum UND-Gatter sind 3 Fehler-Pins, die im Normalzustand im HIGH-Zustand sind, so dass der Ausgang des UND-Gatters im Normalzustand HIGH ist. Sobald ein Fehler auftritt, geht einer der Pins auf 0 V und damit geht der Ausgang des UND-Gatters auf LOW. Damit kann überprüft werden, ob ein Fehler in der Schaltung vorliegt oder nicht. Die Vcc an das UND-Gatter wird durch eine Zener-Diode geliefert.

Schneiden des Vcc durch ATiny85

Der Ausgang des UND-Gatters wird dem ATiny85-Mikrocontroller zugeführt, der einen Interrupt generiert, sobald ein Fehler auftritt. Dies treibt das Relais weiter an, das die Vcc aller Komponenten außer ATiny85 unterbricht.

Schritt 5: Simulation

Für die Simulation haben wir die PWMs des Funktionsgenerators im Proteus anstelle des STMf401-Modells verwendet, da es auf Proteus nicht verfügbar ist. Wir haben Opto-Coupler 4n35 für die Trennung zwischen Mikrocontroller und dem Rest der Schaltung verwendet. IR2103 wird in den Simulationen als Stromverstärker verwendet, der uns komplementäre PWMs liefert.

Schematisches DiagrammDas schematische Diagramm ist wie folgt angegeben:

High-Side-AusgangDieser Ausgang liegt zwischen HO und Vs. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgabe der drei High-Side-PWMs.

Low-Side-AusgangDieser Ausgang liegt zwischen LO und COM. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgabe der drei High-Side-PWMs.

Schritt 6: Schaltplan und PCB-Layout

Das auf Proteus erstellte Schaltplan- und PCB-Layout wurde gezeigt

Schritt 7: Hardware-Ergebnisse

Komplementäre PWMs

Die folgende Abbildung zeigt den Ausgang eines der IR2110, der komplementär ist

PWM von Phase A und B

Die Phasen A und B sind um 60 Grad phasenverschoben. Es ist in der Abbildung gezeigt

PWM von Phase A und C

Die Phasen A und C von sind -60 Grad phasenverschoben. Es ist in der Abbildung gezeigt

Schritt 8: Codierung

Code wurde in Atollic TrueStudio entwickelt. Um Atollic zu installieren, können Sie meine vorherigen Tutorials anzeigen oder online herunterladen.

Das komplette Projekt wurde hinzugefügt.

Schritt 9: Danke

Meiner Tradition folgend möchte ich meinen Gruppenmitgliedern danken, die mir geholfen haben, dieses großartige Projekt abzuschließen.

Hoffe, dieses instructable hilft Ihnen.

Hier melde ich mich ab:)

Mit freundlichen Grüßen

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan