Rangkaian Driver Gerbang untuk Inverter Tiga Fasa: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Proyek ini pada dasarnya adalah Sirkuit Pengemudi untuk Peralatan yang disebut SemiTeach yang baru saja kami beli untuk departemen kami. Gambar perangkat ditampilkan.

Menghubungkan rangkaian driver ini ke 6 MOSFET menghasilkan tiga tegangan Ac yang bergeser 120 derajat. Rentang adalah 600 V untuk perangkat SemiTeach. Perangkat juga memiliki terminal keluaran kesalahan bawaan yang memberikan status rendah ketika kesalahan terdeteksi pada salah satu dari tiga fase

Inverter biasanya digunakan di Industri Tenaga Listrik untuk mengubah Tegangan DC dari banyak Sumber pembangkitan menjadi Tegangan AC untuk transmisi dan distribusi yang efisien. Selain itu, mereka juga digunakan untuk mengekstrak energi dari Uninterruptable Power Series (UPS). Inverter memerlukan Rangkaian Driver Gerbang untuk menggerakkan sakelar Elektronika Daya yang digunakan dalam rangkaian untuk konversi. Ada banyak jenis Sinyal Gerbang yang dapat diimplementasikan. Laporan berikut membahas desain dan implementasi Rangkaian Driver Gerbang untuk Inverter Tiga Fasa menggunakan Konduksi 180 derajat. Laporan ini berfokus pada desain Sirkuit Driver Gerbang di mana detail desain lengkap ditulis. Selanjutnya, proyek ini juga merangkum perlindungan mikrokontroler dan sirkuit selama kondisi kesalahan. Output dari rangkaian adalah 6 PWM untuk 3 kaki Inverter Tiga Fasa.

Langkah 1: Tinjauan Literatur

Banyak aplikasi di Industri Tenaga memerlukan konversi Tegangan DC ke tegangan AC seperti sambungan Panel Surya ke Jaringan Nasional atau ke perangkat AC daya. Konversi DC ke AC ini dicapai dengan menggunakan Inverter. Berdasarkan jenis suplainya, ada dua jenis inverter: Inverter Satu Fasa dan Inverter Tiga Fasa. Inverter Satu Fasa mengambil tegangan DC sebagai input dan mengubahnya menjadi Tegangan AC Satu Fasa sedangkan konverter tiga Fasa mengubah Tegangan DC menjadi Tegangan AC Tiga Fasa.

Gambar 1.1: Inverter Tiga Fasa

Inverter tiga fasa menggunakan 6 sakelar transistor seperti yang ditunjukkan di atas yang digerakkan oleh Sinyal PWM menggunakan Rangkaian Driver Gerbang.

Sinyal Gating inverter harus memiliki perbedaan fasa 120 derajat terhadap satu sama lain untuk memperoleh output seimbang tiga fasa. Dua jenis Sinyal Kontrol dapat diterapkan untuk menjalankan sirkuit ini:

• Konduksi 180 derajat

• Konduksi 120 derajat

Mode Konduksi 180 derajat

Dalam mode ini, setiap transistor dinyalakan 180 derajat. Dan setiap saat, tiga transistor tetap menyala, satu transistor di setiap cabang. Dalam satu siklus, ada enam mode operasi dan setiap mode beroperasi selama 60 derajat siklus. Sinyal gerbang digeser satu sama lain dengan perbedaan fase 60 derajat untuk mendapatkan suplai seimbang tiga fase.

Gambar 1.2: Konduksi 180 derajat

Mode Konduksi 120 derajat

Dalam mode ini, setiap transistor dihidupkan selama 120 derajat. Dan setiap saat, hanya dua transistor yang bekerja. Perlu dicatat bahwa setiap saat, di setiap cabang, hanya satu transistor yang harus menyala. Harus ada perbedaan fase 60 derajat antara Sinyal PWM untuk mendapatkan output AC tiga fase yang seimbang.

Gambar 1.3: konduksi 120 derajat

Kontrol Waktu Mati

Salah satu tindakan pencegahan yang sangat penting yang harus diambil adalah bahwa dalam satu kaki, kedua transistor tidak boleh menyala pada saat yang sama jika tidak Sumber DC akan mengalami korsleting dan sirkuit rusak. Oleh karena itu, sangat penting untuk menambahkan interval waktu yang sangat singkat antara mematikan satu transistor dan menyalakan transistor lainnya.

Langkah 2: Blok Diagram

Langkah 3: Komponen

Pada bagian ini rincian tentang desain akan disajikan dan akan dianalisis.

Daftar Komponen

• Optocoupler 4n35

• IC driver IR2110

• Transistor 2N3904

• Dioda (UF4007)

• Dioda Zener

• Relai 5V

• DAN Gerbang 7408

• ATiny85

Optocoupler

Optocoupler 4n35 telah digunakan untuk isolasi optik mikrokontroler dari rangkaian lainnya. Resistansi yang dipilih didasarkan pada rumus:

Resistansi = Tegangan Led/Peringkat Arus

Resistansi = 1.35V/13.5mA

Resistansi = 100ohm

Resistansi keluaran yang bertindak sebagai resistansi pull down adalah 10k ohm untuk pengembangan tegangan yang tepat di atasnya.

IR 2110

Ini adalah IC penggerak gerbang yang biasanya digunakan untuk menggerakkan MOSFET. Ini adalah IC Driver Sisi Tinggi dan Rendah 500 V dengan sumber 2,5 A khas dan arus tenggelam 2,5 A dalam 14 IC Kemasan Timbal.

Kapasitor Bootstrap

Komponen terpenting dari IC driver adalah kapasitor bootstrap. Kapasitor bootstrap harus dapat mensuplai muatan ini, dan mempertahankan tegangan penuhnya, jika tidak, akan ada sejumlah besar riak pada tegangan Vbs, yang dapat jatuh di bawah penguncian tegangan rendah Vbsuv, dan menyebabkan output HO berhenti berfungsi. Oleh karena itu muatan dalam kapasitor Cbs harus minimal dua kali nilai di atas. Nilai kapasitor minimum dapat dihitung dari persamaan di bawah ini.

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

Sedangkan

Vf = Jatuh tegangan maju melintasi dioda bootstrap

VLS = Penurunan tegangan melintasi FET sisi rendah (atau beban untuk driver sisi tinggi)

VMin = Tegangan minimum antara VB dan VS

Qg = Muatan gerbang FET sisi tinggi

F = Frekuensi operasi

Icbs(bocor) = Arus bocor kapasitor bootstrap

Qls = biaya pergeseran level yang diperlukan per siklus

Kami telah memilih nilai 47uF.

Transistor 2N3904

2N3904 adalah transistor sambungan bipolar NPN umum yang digunakan untuk aplikasi penguat atau switching berdaya rendah untuk keperluan umum. Ia dapat menangani arus 200 mA (maksimum mutlak) dan frekuensi setinggi 100 MHz bila digunakan sebagai penguat.

Dioda (UF4007)

Semikonduktor tipe I dengan resistivitas tinggi digunakan untuk menghasilkan kapasitansi dioda (Ct) yang jauh lebih rendah. Akibatnya, dioda PIN bertindak sebagai resistor variabel dengan bias maju, dan berperilaku sebagai kapasitor dengan bias mundur. Karakteristik frekuensi tinggi (kapasitansi rendah memastikan efek minimal dari jalur sinyal) membuatnya cocok untuk digunakan sebagai elemen resistor variabel dalam berbagai aplikasi, termasuk attenuator, pengalihan sinyal frekuensi tinggi (yaitu ponsel yang membutuhkan antena), dan sirkuit AGC.

Dioda Zener

Dioda Zener adalah jenis dioda tertentu yang, tidak seperti dioda normal, memungkinkan arus mengalir tidak hanya dari anoda ke katodanya, tetapi juga ke arah sebaliknya, ketika tegangan Zener tercapai. Digunakan sebagai pengatur tegangan. Dioda zener memiliki sambungan p-n yang sangat terdoping. Dioda normal juga akan rusak dengan tegangan balik tetapi tegangan dan ketajaman lutut tidak didefinisikan dengan baik seperti dioda Zener. Juga dioda normal tidak dirancang untuk beroperasi di wilayah kerusakan, tetapi dioda Zener dapat diandalkan beroperasi di wilayah ini.

Relay

Relay adalah sakelar yang membuka dan menutup rangkaian secara elektromekanis atau elektronik. Relay mengontrol satu sirkuit listrik dengan membuka dan menutup kontak di sirkuit lain. Ketika kontak relai dalam keadaan normal terbuka (NO), terjadi kontak terbuka ketika relai tidak diberi energi. Bila kontak relai dalam keadaan Tertutup Normal (NC), maka terjadi kontak tertutup bila relai tidak diberi energi. Dalam kedua kasus, menerapkan arus listrik ke kontak akan mengubah keadaannya

DAN GERBANG 7408

Gerbang Logika AND adalah jenis gerbang logika digital yang outputnya menjadi TINGGI ke level logika 1 ketika semua inputnya TINGGI

ATiny85

Ini adalah mikrokontroler berbasis Microchip 8-bit AVR RISC berdaya rendah yang menggabungkan memori flash ISP 8KB, EEPROM 512B, SRAM 512-Byte, 6 jalur I/O tujuan umum, 32 register kerja tujuan umum, satu timer/penghitung 8-bit dengan mode perbandingan, satu penghitung waktu/penghitung kecepatan tinggi 8-bit, USI, Interupsi internal dan eksternal, konverter A/D 10-bit 4-saluran.

Langkah 4: Bekerja dan Sirkuit Dijelaskan

Pada bagian ini cara kerja rangkaian akan dijelaskan secara rinci.

generasi PWM

PWM telah dibangkitkan dari mikrokontroler STM. TIM3, TIM4 dan TIM5 telah digunakan untuk menghasilkan tiga PWM dari siklus tugas 50 persen. Pergeseran fase 60 derajat digabungkan antara tiga PWM menggunakan waktu tunda. Untuk sinyal PWM 50 Hz, metode berikut digunakan untuk menghitung penundaan:

penundaan = Periode Waktu∗60/360

penundaan = 20ms∗60/360

penundaan = 3,3 ms

Isolasi Mikrokontroler Menggunakan Optocoupler

Isolasi antara mikrokontroler dengan rangkaian lainnya dilakukan dengan menggunakan optocoupler 4n35. Tegangan isolasi 4n35 adalah sekitar 5000 V. Digunakan untuk melindungi mikrokontroler dari arus balik. Karena mikrokontroler tidak tahan terhadap tegangan negatif, maka untuk proteksi mikrokontroler digunakan optocoupler.

IC driver Gate Driving CircuitIR2110 telah digunakan untuk menyediakan switching PWM ke MOSFET. PWM dari mikrokontroler telah disediakan pada input IC. Karena IR2110 tidak memiliki Gerbang NOT bawaan, maka BJT digunakan sebagai inverter ke pin Lin. Ini kemudian memberikan PWM pelengkap ke MOSFET yang akan digerakkan

Deteksi Kesalahan

Modul SemiTeach memiliki 3 pin kesalahan yang biasanya HIGH pada 15 V. Setiap kali ada kesalahan dalam rangkaian, salah satu pin akan menuju ke level LOW. Untuk melindungi komponen rangkaian, rangkaian harus diputus selama kondisi kesalahan. Ini dilakukan dengan menggunakan Gerbang AND, Mikrokontroler ATiny85 dan Relay 5 V. Penggunaan Gerbang AND

Input pada Gerbang AND adalah 3 pin error yang berada pada kondisi HIGH pada kondisi normal sehingga keluaran dari Gerbang AND HIGH pada kondisi normal. Segera setelah ada kesalahan, satu pin menjadi 0 V dan karenanya output dari Gerbang AND menjadi RENDAH. Ini dapat digunakan untuk memeriksa apakah ada kesalahan atau tidak pada rangkaian. Vcc ke Gerbang AND disediakan melalui Dioda Zener.

Memotong Vcc melalui ATiny85

Output dari AND Gate diumpankan ke Mikrokontroler ATiny85 yang menghasilkan interupsi segera setelah ada kesalahan. Ini selanjutnya menggerakkan Relay yang memotong Vcc dari semua komponen kecuali ATiny85.

Langkah 5: Simulasi

Untuk simulasi, kami telah menggunakan PWM dari generator fungsi di Proteus daripada model STMf401 karena tidak tersedia di Proteus. Kami telah menggunakan Opto-Coupler 4n35 untuk isolasi antara mikrokontroler dan rangkaian lainnya. IR2103 digunakan dalam simulasi sebagai penguat arus yang memberi kita PWM komplementer.

Diagram Skema Diagram skematik diberikan sebagai berikut:

Output Sisi Tinggi Output ini antara HO dan Vs. Gambar berikut menunjukkan output dari tiga PWM sisi tinggi.

Output Sisi Rendah Output ini antara LO dan COM. Gambar berikut menunjukkan output dari tiga PWM sisi tinggi.

Langkah 6: Skema dan Tata Letak PCB

Skema dan tata letak PCB yang dibuat di Proteus telah ditampilkan

Langkah 7: Hasil Perangkat Keras

PWM komplementer

Gambar berikut menunjukkan output dari salah satu IR2110 yang komplementer

PWM Fase A dan B

Fase A dan B adalah fase bergeser 60 derajat. Hal ini ditunjukkan pada gambar

PWM Fase A dan C

Fase A dan C bergeser fase -60 derajat. Hal ini ditunjukkan pada gambar

Langkah 8: Pengkodean

Kode dikembangkan di Atollic TrueStudio. Untuk menginstal Atollic Anda dapat melihat tutorial saya sebelumnya atau mengunduh secara online.

Proyek lengkap telah ditambahkan.

Langkah 9: Terima kasih

Mengikuti tradisi saya, saya ingin mengucapkan terima kasih kepada anggota kelompok saya yang membantu saya menyelesaikan proyek yang luar biasa ini.

Semoga instruksi ini membantu Anda.

Ini saya sign off:)

Salam Hormat

Tahir Ul Haqi

EE, UET LHR Pakistan