Üç Fazlı İnverter için Kapı Sürücü Devresi: 9 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

Bu proje temelde bölümümüz için yakın zamanda satın aldığımız SemiTeach adlı bir Ekipman için Sürücü Devresidir. Cihazın resmi gösterilir.

Bu sürücü devresini 6 mosfet'e bağlamak, üç adet 120 derecelik kaydırılmış Ac voltajı üretir. SemiTeach cihazı için menzil 600 V'tur. Cihaz ayrıca, üç fazdan herhangi birinde hata algılandığında düşük durum veren dahili hata çıkış terminallerine sahiptir.

İnvertörler, çoğu nesil Kaynağın DC Voltajını verimli iletim ve dağıtım için AC Voltajlarına dönüştürmek için Güç Endüstrisinde yaygın olarak kullanılır. Ayrıca, Kesintisiz Güç Serilerinden (UPS) enerji elde etmek için de kullanılırlar. İnverterler, dönüşüm için devrede kullanılan Güç Elektroniği anahtarlarını sürmek için bir Kapı Sürücü Devresine ihtiyaç duyar. Uygulanabilecek birçok Kapı Sinyali türü vardır. Aşağıdaki rapor, 180 derece İletim kullanan Üç Fazlı İnverter için Kapı Sürücü Devresinin tasarımını ve uygulamasını tartışmaktadır. Bu rapor, tüm tasarım detaylarının yazıldığı Kapı Sürücü Devresinin tasarımına odaklanmaktadır. Ayrıca bu proje, hata durumlarında mikrodenetleyicinin ve devrenin korunmasını da kapsar. Devrenin çıkışı, Üç Fazlı İnverterin 3 ayağı için 6 PWM'dir.

Adım 1: Literatür İncelemesi

Enerji Endüstrisindeki birçok uygulama, Güneş Panellerinin Ulusal Şebekeye bağlanması veya AC cihazlarına güç sağlamak gibi DC Voltajın AC voltajına dönüştürülmesini gerektirir. DC'nin AC'ye bu dönüşümü İnverterler kullanılarak elde edilir. Besleme türüne bağlı olarak iki tip evirici vardır: Tek Fazlı Evirici ve Üç Fazlı Evirici. Bir Tek Fazlı İnverter, DC voltajını giriş olarak alır ve bunu Tek Fazlı AC Voltajına dönüştürürken, üç Fazlı İnvertör dönüştürücü, DC Voltajını Üç Fazlı AC Voltajına dönüştürür.

Şekil 1.1: Üç Fazlı İnverter

Üç fazlı bir invertör, yukarıda gösterildiği gibi, Kapı Sürücü Devreleri kullanılarak PWM Sinyalleri tarafından sürülen 6 transistör anahtarı kullanır.

Üç fazlı dengeli bir çıkış elde etmek için eviricinin Geçiş Sinyalleri birbirine göre 120 derecelik bir faz farklılığına sahip olmalıdır. Bu devreyi çalıştırmak için iki tip Kontrol Sinyali uygulanabilir.

• 180 derece iletim

• 120 derece iletim

180 derece İletim Modu

Bu modda, her transistör 180 derece açılır. Ve herhangi bir zamanda, her dalda bir transistör olmak üzere üç transistör açık kalır. Bir döngüde altı çalışma modu vardır ve her mod döngünün 60 derecesinde çalışır. Üç fazlı dengeli besleme elde etmek için geçit sinyalleri birbirinden 60 derecelik bir faz farkı ile kaydırılır.

Şekil 1.2: 180 derecelik iletkenlik

120 derece İletim Modu

Bu modda, her transistör 120 derece açılır. Ve herhangi bir zamanda, sadece iki transistör iletir. Herhangi bir zamanda, her dalda sadece bir transistörün açık olması gerektiğine dikkat edilmelidir. Dengeli üç fazlı AC çıkışı elde etmek için PWM Sinyalleri arasında 60 derecelik bir faz farkı olmalıdır.

Şekil 1.3: 120 derecelik iletim

Ölü Zaman Kontrolü

Alınması gereken çok önemli bir önlem, bir bacakta her iki transistörün aynı anda açık olmamasıdır, aksi takdirde DC Kaynağı kısa devre yapacak ve devre zarar görecektir. Bu nedenle, bir transistörün kapanması ile diğer transistörün açılması arasına çok kısa bir zaman aralığı eklemek çok önemlidir.

Adım 2: Blok Şeması

Adım 3: Bileşenler

Bu bölümde tasarım ile ilgili detaylar sunulacak ve analiz edilecektir.

Bileşen Listesi

• Optokuplör 4n35

• IR2110 sürücü IC'si

• Transistör 2N3904

• Diyot (UF4007)

• Zener Diyotları

• Röle 5V

•VE Kapısı 7408

• ATiny85

Optokuplör

Mikrodenetleyicinin devrenin geri kalanından optik izolasyonu için 4n35 optokuplör kullanılmıştır. Seçilen direnç aşağıdaki formüle göre belirlenir:

Direnç = LedVoltaj/AkımDeğerlendirme

Direnç = 1.35V/13.5mA

Direnç = 100ohm

Aşağı çekme direnci olarak hareket eden çıkış direnci, uygun voltaj gelişimi için 10k ohm'dur.

IR 2110

MOSFET'leri sürmek için tipik olarak kullanılan bir kapı sürüş IC'sidir. 14 Kurşun Paketleme IC'sinde tipik 2,5 A kaynak ve 2,5 A lavabo akımlarına sahip 500 V Yüksek ve Düşük Taraf Sürücü IC'dir.

Önyükleme Kondansatörü

Sürücü IC'nin en önemli bileşeni önyükleme kondansatörüdür. Önyükleme kapasitörü bu yükü sağlayabilmeli ve tam voltajını koruyabilmelidir, aksi takdirde Vbs voltajında, Vbsuv düşük voltaj kilitlemesinin altına düşebilecek ve HO çıkışının çalışmasının durmasına neden olabilecek önemli miktarda dalgalanma olacaktır. Bu nedenle Cbs kondansatöründeki yük, yukarıdaki değerin en az iki katı olmalıdır. Minimum kapasitör değeri aşağıdaki denklemden hesaplanabilir.

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

Buna karşılık

Vf= Önyükleme diyotu boyunca ileri voltaj düşüşü

VLS= Düşük taraf FET boyunca voltaj düşüşü (veya yüksek taraf sürücüsü için yük)

VMin= VB ve VS arasındaki minimum voltaj

Qg= Yüksek taraf FET'in kapı yükü

F= Çalışma sıklığı

Icbs(leak) = Önyükleme kapasitör kaçak akımı

Qls = döngü başına gerekli seviye kaydırma ücreti

47uF değerini seçtik.

Transistör 2N3904

2N3904, genel amaçlı düşük güçlü yükseltme veya anahtarlama uygulamaları için kullanılan yaygın bir NPN iki kutuplu bağlantı transistörüdür. Amplifikatör olarak kullanıldığında 200 mA akımı (mutlak maksimum) ve 100 MHz'e kadar yüksek frekansları işleyebilir.

Diyot (UF4007)

Önemli ölçüde daha düşük diyot kapasitansı (Ct) sağlamak için yüksek dirençli I tipi yarı iletken kullanılır. Sonuç olarak, PIN diyotları, ileri taraflı bir değişken direnç olarak hareket eder ve ters taraflı bir kapasitör gibi davranır. Yüksek frekans özellikleri (düşük kapasitans, sinyal hatlarının minimum etkisini sağlar), zayıflatıcılar, yüksek frekanslı sinyal anahtarlama (yani anten gerektiren cep telefonları) ve AGC devreleri dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda değişken direnç elemanları olarak kullanım için uygun hale getirir.

Zener Diyot

Zener diyot, normalden farklı olarak, akımın yalnızca anottan katoda değil, aynı zamanda Zener voltajına ulaşıldığında ters yönde de akmasına izin veren belirli bir diyot türüdür. Voltaj regülatörü olarak kullanılır. Zener diyotları, yüksek oranda katkılı bir p-n bağlantısına sahiptir. Normal diyotlar da ters voltajla bozulur, ancak dizin voltajı ve keskinliği Zener diyot kadar iyi tanımlanmamıştır. Ayrıca normal diyotlar arıza bölgesinde çalışacak şekilde tasarlanmamıştır, ancak Zener diyotlar bu bölgede güvenilir şekilde çalışabilir.

Röle

Röleler, devreleri elektromekanik veya elektronik olarak açıp kapatan anahtarlardır. Röleler, başka bir devredeki kontakları açıp kapatarak bir elektrik devresini kontrol eder. Bir röle kontağı normalde açık (NO) olduğunda, röleye enerji verilmediğinde açık bir kontak vardır. Bir röle kontağı Normalde Kapalı (NC) olduğunda, röleye enerji verilmediğinde kapalı bir kontak vardır. Her iki durumda da, kontaklara elektrik akımı uygulamak durumlarını değiştirecektir.

VE KAPI 7408

Mantık VE Kapısı, tüm girişleri YÜKSEK olduğunda çıkışı YÜKSEK mantık seviyesi 1'e giden bir tür dijital mantık kapısıdır.

ATiny85

8KB ISP flash bellek, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 genel amaçlı I/O hattı, 32 genel amaçlı çalışma kaydı, bir adet 8-bit zamanlayıcı/sayıcıyı birleştiren düşük güçlü bir Microchip 8-bit AVR RISC tabanlı mikrodenetleyicidir. karşılaştırma modları, bir adet 8-bit yüksek hızlı zamanlayıcı/sayıcı, USI, dahili ve harici Kesintiler, 4 kanallı 10-bit A/D dönüştürücü.

Adım 4: Çalışma ve Devre Açıklaması

Bu bölümde devrenin çalışması detaylı olarak anlatılacaktır.

PWM üretimi

PWM, STM mikrodenetleyicisinden üretilmiştir. TIM3, TIM4 ve TIM5, yüzde 50 görev döngüsüne sahip üç PWM oluşturmak için kullanıldı. 60 derecelik faz kayması, zaman gecikmesi kullanılarak üç PWM arasında birleştirildi. 50 Hz PWM sinyali için gecikmeyi hesaplamak için aşağıdaki yöntem kullanıldı

gecikme = ZamanPeriyodu∗60/360

gecikme = 20ms∗60/360

gecikme = 3.3ms

Optocoupler kullanarak Mikrodenetleyici İzolasyonu

Mikrodenetleyici ile devrenin geri kalanı arasındaki izolasyon 4n35 optokuplör kullanılarak yapılmıştır. 4n35'in izolasyon gerilimi 5000 V civarındadır. Mikrodenetleyiciyi ters akımlardan korumak için kullanılır. Bir mikrodenetleyici negatif voltaj taşıyamayacağından mikrodenetleyicinin korunması için optokuplör kullanılır.

Gate Driving CircuitIR2110 sürücü IC, PWM'lerin MOSFET'lere geçişini sağlamak için kullanılmıştır. Mikrodenetleyiciden gelen PWM'ler IC girişinde sağlanmıştır. IR2110'da yerleşik NOT Gate bulunmadığından, BJT, Lin pinine invertör olarak kullanılır. Daha sonra sürülecek olan MOSFET'lere tamamlayıcı PWM'leri verir.

Hata Tespiti

SemiTeach modülünde normalde 15 V'ta YÜKSEK olan 3 hata pini vardır. Devrede herhangi bir hata olduğunda pinlerden biri DÜŞÜK seviyeye gider. Devre bileşenlerinin korunması için, hata durumlarında devre kesilmelidir. Bu, AND Gate, ATiny85 Mikrodenetleyici ve 5 V Röle kullanılarak gerçekleştirildi. AND Kapısının Kullanımı

AND Kapısının girişi, normal durumda YÜKSEK durumda olan 3 hata pinidir, bu nedenle, normal koşullarda AND Kapısının çıkışı YÜKSEK'tir. Bir hata olduğu anda, pinlerden biri 0 V'a gider ve bu nedenle AND Kapısının çıkışı DÜŞÜK olur. Bu, devrede bir hata olup olmadığını kontrol etmek için kullanılabilir. AND Kapısına Vcc, bir Zener Diyot aracılığıyla sağlanır.

ATiny85 aracılığıyla Vcc'yi kesmek

AND Kapısının çıkışı, herhangi bir hata olduğu anda bir kesme oluşturan ATiny85 Mikrodenetleyiciye beslenir. Bu, ATiny85 dışındaki tüm bileşenlerin Vcc'sini kesen Röleyi daha da çalıştırır.

Adım 5: Simülasyon

Simülasyon için Proteus'ta bulunmadığı için STMf401 modeli yerine Proteus'taki fonksiyon üretecinden gelen PWM'leri kullandık. Mikro denetleyici ve devrenin geri kalanı arasındaki izolasyon için Opto-Coupler 4n35 kullandık. IR2103, simülasyonlarda bize tamamlayıcı PWM'ler veren bir akım yükselticisi olarak kullanılır.

Şematik DiyagramŞematik diyagram aşağıdaki gibi verilmiştir:

Yüksek Taraf ÇıkışıBu çıkış HO ve Vs arasındadır. Aşağıdaki şekil, üç yüksek taraf PWM'nin çıktısını göstermektedir.

Düşük Taraf ÇıkışıBu çıkış LO ve COM arasındadır. Aşağıdaki şekil, üç yüksek taraf PWM'nin çıktısını göstermektedir.

Adım 6: Şematik ve PCB Düzeni

Proteus üzerinde oluşturulan şematik ve PCB yerleşimi gösterilmiştir.

7. Adım: Donanım Sonuçları

Tamamlayıcı PWM'ler

Aşağıdaki şekil, tamamlayıcı olan IR2110'dan birinin çıktısını göstermektedir.

Faz A ve B'nin PWM'si

A ve B fazları 60 derece faz kaydırılmıştır. Şekilde gösterilmiştir

Faz A ve C'nin PWM'si

A ve C fazları -60 derece faz kaydırılmıştır. Şekilde gösterilmiştir

Adım 8: Kodlama

Kod, Atollic TrueStudio'da geliştirilmiştir. Atollic'i yüklemek için önceki eğitimlerimi görüntüleyebilir veya çevrimiçi indirebilirsiniz.

Komple proje eklendi.

9. Adım: Teşekkürler

Geleneğimi takip ederek, bu harika projeyi tamamlamamda bana yardımcı olan grup üyelerime teşekkür etmek istiyorum.

Umarım bu talimat size yardımcı olur.

Bu benim imzam:)

Saygılarımla

Tahir Ul Hak

EE, UET LHR Pakistan