Circuit de commande de porte pour onduleur triphasé : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Ce projet est essentiellement un circuit de pilotes pour un équipement appelé SemiTeach que nous avons récemment acheté pour notre département. L'image de l'appareil s'affiche.

La connexion de ce circuit de commande à 6 mosfets génère trois tensions AC décalées de 120 degrés. La plage est de 600 V pour l'appareil SemiTeach. L'appareil dispose également de bornes de sortie d'erreur intégrées qui donnent un état bas lorsqu'une erreur est détectée sur l'une des trois phases

Les onduleurs sont couramment utilisés dans l'industrie électrique pour convertir la tension continue de nombreuses sources de production en tensions alternatives pour une transmission et une distribution ecaces. De plus, ils sont également utilisés pour extraire l'énergie des onduleurs (Uninterruptable Power Series). Les onduleurs ont besoin d'un circuit de commande de grille pour piloter les commutateurs électroniques de puissance utilisés dans le circuit pour la conversion. Il existe de nombreux types de signaux de porte qui peuvent être mis en œuvre. Le rapport suivant traite de la conception et de la mise en œuvre d'un circuit de commande de grille pour un onduleur triphasé utilisant une conduction à 180 degrés. Ce rapport se concentre sur la conception du circuit de commande de porte dans lequel les détails complets de la conception sont écrits. De plus, ce projet encapsule également la protection du microcontrôleur et du circuit pendant les conditions d'erreur. La sortie du circuit est de 6 PWM pour 3 branches de l'onduleur triphasé.

Étape 1: Revue de la littérature

De nombreuses applications dans l'industrie de l'électricité nécessitent la conversion de la tension continue en tension alternative, comme la connexion de panneaux solaires au réseau national ou pour alimenter des appareils en courant alternatif. Cette conversion du courant continu en courant alternatif est réalisée à l'aide d'onduleurs. En fonction du type d'alimentation, il existe deux types d'onduleurs: l'onduleur monophasé et l'onduleur triphasé. Un onduleur monophasé prend la tension continue en entrée et la convertit en tension alternative monophasée tandis qu'un convertisseur onduleur triphasé convertit la tension continue en tension alternative triphasée.

Figure 1.1: Onduleur triphasé

Un onduleur triphasé utilise 6 commutateurs à transistors, comme indiqué ci-dessus, qui sont pilotés par des signaux PWM à l'aide de circuits de commande de porte.

Les signaux de déclenchement de l'onduleur doivent avoir une différence de phase de 120 degrés les uns par rapport aux autres pour acquérir une sortie équilibrée triphasée. Deux types de signaux de contrôle peuvent être appliqués pour faire fonctionner ce circuit

• conduction à 180 degrés

• Conduction à 120 degrés

Mode de conduction à 180 degrés

Dans ce mode, chaque transistor est activé à 180 degrés. Et à tout moment, trois transistors restent allumés, un transistor dans chaque branche. Dans un cycle, il existe six modes de fonctionnement et chaque mode fonctionne pour 60 degrés du cycle. Les signaux de déclenchement sont décalés les uns des autres d'une différence de phase de 60 degrés pour obtenir une alimentation équilibrée triphasée.

Figure 1.2: conduction à 180 degrés

Mode de conduction à 120 degrés

Dans ce mode, chaque transistor est activé à 120 degrés. Et à tout moment, seuls deux transistors conduisent. Il est à noter qu'à tout instant, dans chaque branche, un seul transistor doit être passant. Il doit y avoir une différence de phase de 60 degrés entre les signaux PWM pour obtenir une sortie CA triphasée équilibrée.

Figure 1.3: Conduction à 120 degrés

Contrôle des temps morts

Une précaution très importante à prendre est que dans une branche, les deux transistors ne doivent pas être allumés en même temps, sinon la source DC court-circuitera et le circuit sera endommagé. Par conséquent, il est très essentiel d'ajouter un intervalle de temps très court entre la fermeture d'un transistor et la fermeture de l'autre transistor.

Étape 2: Schéma fonctionnel

Étape 3: Composants

Dans cette section, des détails sur la conception seront présentés et analysés.

Liste des composants

• Optocoupleur 4n35

• CI pilote IR2110

• Transistor 2N3904

• Diode (UF4007)

• Diodes Zener

• Relais 5V

• Porte ET 7408

• ATiny85

Optocoupleur

L'optocoupleur 4n35 a été utilisé pour l'isolation optique du microcontrôleur du reste du circuit. La résistance choisie est basée sur la formule:

Résistance = LedTension/CourantRating

Résistance = 1,35V/13,5mA

Résistance = 100ohms

La résistance de sortie agissant comme une résistance de tirage est de 10 k ohms pour un développement de tension approprié à travers elle.

IR2110

Il s'agit d'un circuit intégré de commande de grille généralement utilisé pour piloter les MOSFET. Il s'agit d'un circuit intégré de commande côté haut et bas de 500 V avec une source typique de 2,5 A et des courants de puits de 2,5 A dans un circuit intégré d'emballage à 14 fils.

Condensateur Bootstrap

Le composant le plus important du circuit intégré du pilote est le condensateur d'amorçage. Le condensateur d'amorçage doit être capable de fournir cette charge et de conserver sa pleine tension, sinon il y aura une quantité importante d'ondulations sur la tension Vbs, qui pourrait tomber en dessous du verrouillage de sous-tension Vbsuv, et provoquer l'arrêt de la sortie HO. Par conséquent, la charge dans le condensateur Cbs doit être au moins le double de la valeur ci-dessus. La valeur minimale du condensateur peut être calculée à partir de l'équation ci-dessous.

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

Tandis que

Vf = Chute de tension directe à travers la diode d'amorçage

VLS = Chute de tension à travers le FET côté bas (ou charge pour un pilote côté haut)

VMin= Tension minimale entre VB et VS

Qg = Charge de grille du FET côté haut

F= Fréquence de fonctionnement

Icbs (fuite) = courant de fuite du condensateur Bootstrap

Qls = charge de changement de niveau requise par cycle

Nous avons sélectionné une valeur de 47uF.

Transistor 2N3904

Le 2N3904 est un transistor à jonction bipolaire NPN commun utilisé pour les applications d'amplification ou de commutation de faible puissance à usage général. Il peut gérer un courant de 200 mA (maximum absolu) et des fréquences aussi élevées que 100 MHz lorsqu'il est utilisé comme amplificateur.

Diode (UF4007)

Un semi-conducteur de type I à haute résistivité est utilisé pour fournir une capacité de diode (Ct) nettement inférieure. En conséquence, les diodes PIN agissent comme une résistance variable avec polarisation directe et se comportent comme un condensateur avec polarisation inverse. Les caractéristiques haute fréquence (la faible capacité garantit un effet minimal des lignes de signal) les rendent adaptées à une utilisation en tant qu'éléments à résistance variable dans une grande variété d'applications, y compris les atténuateurs, la commutation de signaux haute fréquence (c'est-à-dire les téléphones portables nécessitant une antenne) et les circuits AGC.

Diode Zener

Une diode Zener est un type particulier de diode qui, contrairement à une diode normale, permet au courant de circuler non seulement de son anode à sa cathode, mais également dans le sens inverse, lorsque la tension Zener est atteinte. Il est utilisé comme régulateur de tension. Les diodes Zener ont une jonction p-n fortement dopée. Les diodes normales tombent également en panne avec une tension inverse, mais la tension et la netteté du genou ne sont pas aussi bien définies que pour une diode Zener. De plus, les diodes normales ne sont pas conçues pour fonctionner dans la région de claquage, mais les diodes Zener peuvent fonctionner de manière fiable dans cette région.

Relais

Les relais sont des interrupteurs qui ouvrent et ferment des circuits électromécaniquement ou électroniquement. Les relais contrôlent un circuit électrique en ouvrant et fermant des contacts dans un autre circuit. Lorsqu'un contact de relais est normalement ouvert (NO), il y a un contact ouvert lorsque le relais n'est pas excité. Lorsqu'un contact de relais est normalement fermé (NF), il y a un contact fermé lorsque le relais n'est pas excité. Dans les deux cas, appliquer un courant électrique aux contacts changera leur état

ET PORTE 7408

Une porte logique ET est un type de porte logique numérique dont la sortie passe à un niveau logique 1 lorsque toutes ses entrées sont à l'état haut

ATiny85

Il s'agit d'un microcontrôleur Microchip 8 bits AVR RISC à faible consommation combinant 8 Ko de mémoire flash ISP, 512B EEPROM, 512 octets SRAM, 6 lignes d'E/S à usage général, 32 registres de travail à usage général, un temporisateur/compteur 8 bits avec modes de comparaison, une minuterie/compteur haute vitesse 8 bits, USI, interruptions internes et externes, convertisseur A/N 10 bits 4 canaux.

Étape 4: Fonctionnement et circuit expliqués

Dans cette section, le fonctionnement du circuit sera expliqué en détail.

Génération PWM

Le PWM a été généré à partir du microcontrôleur STM. TIM3, TIM4 et TIM5 ont été utilisés pour générer trois PWM d'un cycle de service de 50 pour cent. Le déphasage de 60 degrés a été incorporé entre trois PWM en utilisant une temporisation. Pour le signal PWM 50 Hz, la méthode suivante a été utilisée pour calculer le retard

délai = TimePeriod∗60/360

délai = 20ms∗60/360

délai = 3,3 ms

Isolation du microcontrôleur à l'aide d'un optocoupleur

L'isolation entre le microcontrôleur et le reste du circuit a été réalisée à l'aide d'un optocoupleur 4n35. La tension d'isolement de 4n35 est d'environ 5000 V. Elle est utilisée pour la protection du microcontrôleur contre les courants inverses. Comme un microcontrôleur ne peut pas supporter une tension négative, par conséquent, pour la protection du microcontrôleur, un optocoupleur est utilisé.

Gate Driving CircuitIR2110 Driver IC a été utilisé pour fournir des PWM de commutation aux MOSFET. Les PWM du microcontrôleur ont été fournis à l'entrée du CI. Comme IR2110 n'a pas de porte NOT intégrée, BJT est donc utilisé comme inverseur de la broche Lin. Il donne ensuite les PWM complémentaires aux MOSFET qui doivent être pilotés

Détection d'erreur

Le module SemiTeach a 3 broches d'erreur qui sont normalement HAUT à 15 V. Chaque fois qu'il y a une erreur dans le circuit, l'une des broches passe au niveau BAS. Pour la protection des composants du circuit, le circuit doit être coupé pendant les conditions d'erreur. Cela a été accompli à l'aide de la porte AND, du microcontrôleur ATiny85 et d'un relais 5 V. Utilisation de la porte ET

L'entrée de la porte ET est constituée de 3 broches d'erreur qui sont à l'état HAUT dans des conditions normales, de sorte que la sortie de la porte ET est à l'état HAUT dans des conditions normales. Dès qu'il y a une erreur, une des broches passe à 0 V et donc la sortie de la porte ET passe à l'état BAS. Cela peut être utilisé pour vérifier s'il y a une erreur ou non dans le circuit. Le Vcc à la porte ET est fourni par une diode Zener.

Couper le Vcc via ATiny85

La sortie de la porte ET est transmise au microcontrôleur ATiny85 qui génère une interruption dès qu'il y a une erreur. Cela entraîne en outre le relais qui coupe le Vcc de tous les composants sauf ATiny85.

Étape 5: Simulation

Pour la simulation, nous avons utilisé les PWM du générateur de fonctions dans le modèle Proteus plutôt que le modèle STMf401 car il n'est pas disponible sur Proteus. Nous avons utilisé l'Opto-Coupler 4n35 pour l'isolation entre le micro-contrôleur et le reste du circuit. L'IR2103 est utilisé dans les simulations comme amplificateur de courant qui nous donne des PWM complémentaires.

Schéma de principeLe schéma de principe est donné comme suit:

High Side OutputCette sortie est comprise entre HO et Vs. La figure suivante montre la sortie des trois PWM côté haut.

Sortie côté basCette sortie est entre LO et COM. La figure suivante montre la sortie des trois PWM côté haut.

Étape 6: Schéma et mise en page PCB

Le schéma et la disposition PCB créés sur Proteus ont été montrés

Étape 7: Résultats du matériel

PWM complémentaires

La figure suivante montre la sortie de l'un des IR2110 qui est complémentaire

PWM des phases A et B

Les phases A et B de sont déphasées de 60 degrés. Il est représenté sur la figure

PWM des phases A et C

Les phases A et C de sont déphasées de -60 degrés. Il est représenté sur la figure

Étape 8: Codage

Le code a été développé dans Atollic TrueStudio. Pour installer Atollic, vous pouvez consulter mes précédents tutoriels ou télécharger en ligne.

Le projet complet a été ajouté.

Étape 9: Merci

Conformément à ma tradition, je tiens à remercier les membres de mon groupe qui m'ont aidé à mener à bien ce projet génial.

J'espère que cette instructable vous aide.

C'est moi qui signe:)

Meilleures salutations

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan