Circuito de driver de porta para inversor trifásico: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este projeto é basicamente um Circuito Driver para um Equipamento chamado SemiTeach que compramos recentemente para nosso departamento. A imagem do dispositivo é mostrada.

Conectar este circuito de driver a 6 mosfets gera três voltagens AC deslocadas de 120 graus. O intervalo é de 600 V para o dispositivo SemiTeach. O dispositivo também possui terminais de saída de erro embutidos que fornecem estado baixo quando detectado erro em qualquer uma das três fases

Os inversores são comumente usados na indústria de energia para converter a tensão CC de muitas fontes de geração em tensões CA para transmissão e distribuição e fi cientes. Além disso, eles também são usados para extrair energia de Uninterruptable Power Series (UPS). Os inversores precisam de um circuito de driver de porta para acionar os interruptores da Power Electronics usados no circuito para a conversão. Existem muitos tipos de sinais de porta que podem ser implementados. O relatório a seguir discute o projeto e a implementação de um circuito acionador de porta para um inversor trifásico usando condução de 180 graus. Este relatório concentra-se no projeto do Circuito Driver do Gate, no qual os detalhes completos do projeto são escritos. Além disso, este projeto também encapsula a proteção do microcontrolador e do circuito durante as condições de erro. A saída do circuito é de 6 PWMs para 3 pernas do Inversor Trifásico.

Etapa 1: Revisão da literatura

Muitas aplicações na indústria de energia exigem a conversão de tensão CC em tensão CA, como a conexão de painéis solares à rede elétrica nacional ou para alimentar dispositivos CA. Esta conversão de DC para AC é obtida usando inversores. Com base no tipo de alimentação, existem dois tipos de inversores: Inversor Monofásico e Inversor Trifásico. Um inversor monofásico recebe a tensão CC como entrada e a converte em tensão CA monofásica, enquanto um conversor inversor trifásico converte a tensão CC em tensão CA trifásica.

Figura 1.1: Inversor Trifásico

Um inversor trifásico emprega 6 interruptores de transistor, conforme mostrado acima, que são acionados por sinais PWM usando circuitos de driver de porta.

Os sinais de portas do inversor devem ter uma diferença de fase de 120 graus entre si para adquirir uma saída balanceada trifásica. Dois tipos de sinais de controle podem ser aplicados para executar este circuito

• condução de 180 graus

• condução de 120 graus

Modo de condução de 180 graus

Neste modo, cada transistor é ligado em 180 graus. E a qualquer momento, três transistores permanecem ligados, um transistor em cada ramal. Em um ciclo, existem seis modos de operação e cada modo opera em 60 graus do ciclo. Os sinais de disparo são deslocados entre si por uma diferença de fase de 60 graus para obter uma alimentação trifásica balanceada.

Figura 1.2: condutividade de 180 graus

Modo de condução de 120 graus

Neste modo, cada transistor é ligado em 120 graus. E a qualquer momento, apenas dois transistores conduzem. Deve-se notar que a qualquer momento, em cada ramal, apenas um transistor deve estar ligado. Deve haver uma diferença de fase de 60 graus entre os sinais PWM para obter uma saída CA trifásica equilibrada.

Figura 1.3: condução de 120 graus

Controle de tempo morto

Uma precaução muito importante a ser tomada é que em uma perna, ambos os transistores não devem estar ligados ao mesmo tempo, caso contrário, a fonte CC entrará em curto-circuito e o circuito será danificado. Portanto, é muito essencial adicionar um intervalo de tempo muito curto entre o desligamento de um transistor e o desligamento do outro transistor.

Etapa 2: Diagrama de blocos

Etapa 3: Componentes

Nesta seção, detalhes sobre o design serão apresentados e analisados.

Lista de Componentes

• Optoacoplador 4n35

• IC do driver IR2110

• Transistor 2N3904

• Diodo (UF4007)

• Diodos Zener

• Relé 5V

• AND Gate 7408

• ATiny85

Optoacoplador

O optoacoplador 4n35 foi usado para o isolamento óptico do microcontrolador do resto do circuito. A resistência selecionada é baseada na fórmula:

Resistance = LedVoltage / CurrentRating

Resistência = 1,35 V / 13,5 mA

Resistência = 100 ohms

A resistência de saída atuando como resistência de pull down é de 10k ohm para o desenvolvimento adequado da tensão através dela.

IR 2110

É um IC de acionamento de portão normalmente usado para acionar os MOSFETs. É um CI de driver de lado alto e baixo de 500 V com fontes típicas de 2,5 A e correntes de dissipação de 2,5 A em CI de embalagem de 14 chumbo.

Capacitor Bootstrap

O componente mais importante do driver IC é o capacitor bootstrap. O capacitor bootstrap deve ser capaz de fornecer essa carga e reter sua tensão total, caso contrário, haverá uma quantidade significativa de ondulação na tensão Vbs, que pode cair abaixo do bloqueio de subtensão Vbsuv e fazer com que a saída HO pare de funcionar. Portanto, a carga no capacitor Cbs deve ser no mínimo duas vezes o valor acima. O valor mínimo do capacitor pode ser calculado a partir da equação abaixo.

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

Enquanto que

Vf = Queda de tensão direta através do diodo de bootstrap

VLS = queda de tensão através do FET do lado inferior (ou carga para um driver do lado alto)

VMin = tensão mínima entre VB e VS

Qg = Carga da porta do FET do lado alto

F = Frequência de operação

Icbs (vazamento) = corrente de fuga do capacitor Bootstrap

Qls = carga de mudança de nível necessária por ciclo

Selecionamos um valor de 47uF.

Transistor 2N3904

O 2N3904 é um transistor de junção bipolar NPN comum usado para aplicações gerais de amplificação ou comutação de baixa potência. Ele pode lidar com corrente de 200 mA (máximo absoluto) e frequências de até 100 MHz quando usado como um amplificador.

Diodo (UF4007)

Um semicondutor do tipo I de alta resistividade é utilizado para fornecer capacitância de diodo significativamente menor (Ct). Como resultado, os diodos PIN atuam como um resistor variável com polarização direta e se comportam como um capacitor com polarização reversa. As características de alta frequência (baixa capacitância garante efeito mínimo das linhas de sinal) os tornam adequados para uso como elementos de resistor variável em uma ampla variedade de aplicações, incluindo atenuadores, comutação de sinal de alta frequência (ou seja, telefones celulares que requerem uma antena) e circuitos AGC.

Diodo Zener

Um diodo Zener é um tipo particular de diodo que, ao contrário de um normal, permite que a corrente flua não apenas de seu ânodo para o cátodo, mas também na direção reversa, quando a tensão Zener é atingida. É usado como regulador de tensão. Os diodos Zener têm uma junção p-n altamente dopada. Os diodos normais também quebram com uma voltagem reversa, mas a voltagem e a nitidez do joelho não são tão bem definidas como para um diodo Zener. Além disso, os diodos normais não são projetados para operar na região de decomposição, mas os diodos Zener podem operar de forma confiável nesta região.

Relé

Relés são interruptores que abrem e fecham circuitos eletromecanicamente ou eletronicamente. Os relés controlam um circuito elétrico abrindo e fechando os contatos em outro circuito. Quando um contato de relé está normalmente aberto (NO), há um contato aberto quando o relé não está energizado. Quando um contato de relé é Normalmente Fechado (NF), há um contato fechado quando o relé não está energizado. Em qualquer caso, a aplicação de corrente elétrica aos contatos mudará seu estado

E GATE 7408

Uma porta lógica AND é um tipo de porta lógica digital cuja saída vai ALTO para um nível lógico 1 quando todas as suas entradas são ALTAS

ATiny85

É um microcontrolador Microchip de 8 bits AVR RISC de baixa potência que combina 8 KB de memória flash ISP, 512B EEPROM, 512 bytes SRAM, 6 linhas de E / S de uso geral, 32 registros de trabalho de uso geral, um temporizador / contador de 8 bits com modos de comparação, um temporizador / contador de alta velocidade de 8 bits, USI, interrupções internas e externas, conversor A / D de 4 canais e 10 bits.

Etapa 4: funcionamento e circuito explicado

Nesta seção, o funcionamento do circuito será explicado em detalhes.

Geração PWM

O PWM foi gerado a partir do microcontrolador STM. TIM3, TIM4 e TIM5 foram usados para gerar três PWMs com ciclo de trabalho de 50 por cento. A mudança de fase de 60 graus foi incorporada entre três PWMs usando atraso de tempo. Para o sinal PWM de 50 Hz, o método a seguir foi usado para calcular o atraso

atraso = TimePeriod ∗ 60/360

atraso = 20ms ∗ 60/360

atraso = 3,3ms

Isolamento de microcontrolador usando optoacoplador

O isolamento entre o microcontrolador e o resto do circuito foi feito usando optoacoplador 4n35. A tensão de isolamento de 4n35 é cerca de 5000 V. É usado para a proteção do microcontrolador das correntes reversas. Como um microcontrolador não pode suportar tensão negativa, portanto, para a proteção do microcontrolador, o optoacoplador é usado.

O CI do driver do Gate Driving CircuitIR2110 foi usado para fornecer PWMs de comutação para os MOSFETs. PWMs do microcontrolador foram fornecidos na entrada do IC. Como o IR2110 não tem o NOT Gate embutido, então o BJT é usado como um inversor para o pino Lin. Em seguida, ele fornece os PWMs complementares aos MOSFETs que devem ser acionados

Detecção de erro

O módulo SemiTeach possui 3 pinos de erro que normalmente são ALTOS a 15 V. Sempre que houver algum erro no circuito, um dos pinos vai para o nível BAIXO. Para a proteção dos componentes do circuito, o circuito deve ser desligado durante condições de erro. Isso foi realizado usando AND Gate, microcontrolador ATiny85 e um relé de 5 V. Uso de AND Gate

A entrada para a porta AND são 3 pinos de erro que estão em estado ALTO em condição normal, de modo que a saída da porta AND é ALTA em condições normais. Assim que houver um erro, um dos pinos vai para 0 V e, portanto, a saída da porta AND fica BAIXA. Isso pode ser usado para verificar se há um erro ou não no circuito. O Vcc para a porta AND é fornecido por meio de um diodo Zener.

Cortando o Vcc por meio de ATiny85

A saída da porta AND é enviada ao microcontrolador ATiny85 que gera uma interrupção assim que ocorre algum erro. Isso impulsiona ainda mais o relé que corta o Vcc de todos os componentes, exceto ATiny85.

Etapa 5: Simulação

Para a simulação, usamos os PWMs do gerador de função no Proteus em vez do modelo STMf401, pois não está disponível no Proteus. Usamos o Opto-Coupler 4n35 para o isolamento entre o microcontrolador e o resto do circuito. IR2103 é usado nas simulações como um amplificador de corrente que nos dá PWMs complementares.

Diagrama Esquemático O diagrama esquemático é dado da seguinte forma:

Saída do lado alto Esta saída está entre HO e Vs. A figura a seguir mostra a saída dos três PWMs do lado alto.

Saída do lado inferior Esta saída está entre LO e COM. A figura a seguir mostra a saída dos três PWMs do lado alto.

Etapa 6: esquema e layout de PCB

O esquema e o layout do PCB criado no Proteus foram mostrados

Etapa 7: Resultados de Hardware

PWMs complementares

A figura a seguir mostra a saída de um dos IR2110 que é complementar

PWM da Fase A e B

As fases A e B são deslocadas de 60 graus. É mostrado na figura

PWM da Fase A e C

As fases A e C são deslocadas de -60 graus. É mostrado na figura

Etapa 8: codificação

O código foi desenvolvido em Atollic TrueStudio. Para instalar o Atollic, você pode ver meus tutoriais anteriores ou fazer o download online.

O projeto completo foi adicionado.

Etapa 9: Obrigado

Seguindo minha tradição, gostaria de agradecer aos membros do meu grupo que me ajudaram a concluir este projeto incrível.

Espero que este instrutível ajude você.

Sou eu assinando:)

Cumprimentos

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Paquistão