כיצד לעצב וליישם מהפך חד פאזי: 9 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

מדריך זה בוחן את השימוש ב- GreenPAK ™ CMICs של Dialog ביישומי אלקטרוניקה כוח וידגים יישום של מהפך חד פאזי באמצעות מתודולוגיות בקרה שונות. פרמטרים שונים משמשים לקביעת איכות המהפך החד פאזי. פרמטר חשוב הוא עיוות הרמוני טוטאלי (THD). THD הוא מדידה של העיוות ההרמוני באות ומוגדר כיחס בין סכום הכוחות של כל המרכיבים ההרמוניים לעוצמת התדר הבסיסי.

להלן תיארנו את הצעדים הדרושים להבין כיצד הפתרון תוכנת ליצירת מהפך חד פאזי. עם זאת, אם אתה רק רוצה לקבל את התוצאה של התכנות, הורד את תוכנת GreenPAK כדי לצפות בקובץ העיצוב GreenPAK שכבר הושלם. חבר את ערכת הפיתוח של GreenPAK למחשב שלך והקש על התוכנית ליצירת מהפך חד פאזי.

שלב 1: מהפך חד פאזי

מהפך, או מהפך, הוא מכשיר או מעגל אלקטרוני שמשנה זרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC). בהתאם למספר השלבים של פלט AC, ישנם מספר סוגים של ממירים.

● ממירים חד פאזיים

● ממירים תלת פאזיים

DC הוא הזרימה החד -כיוונית של מטען חשמלי. אם מתח קבוע על פני מעגל התנגדותי בלבד, הוא גורם לזרם קבוע. בהשוואה, עם AC, זרימת הזרם החשמלי הופכת מעת לעת את הקוטביות. צורת הגל AC האופיינית ביותר היא גל סינוס, אך הוא יכול להיות גם גל משולש או מרובע. על מנת להעביר חשמל עם פרופילי זרם שונים, נדרשים התקנים מיוחדים. התקנים שממירים AC ל- DC ידועים כמיישרים והתקנים שממירים DC ל- AC ידועים כממירים.

שלב 2: טופולוגיות של מהפך חד פאזי

ישנן שתי טופולוגיות עיקריות של ממירים חד פאזיים; טופולוגיות של חצי גשר וגשר מלא. הערת יישום זו מתמקדת בטופולוגיה של גשר מלא, מכיוון שהיא מספקת מתח פלט כפול בהשוואה לטופולוגיה של חצי גשר.

שלב 3: טופולוגיה של גשר מלא

בטופולוגיה של גשר מלא יש צורך ב -4 מתגים, מכיוון שמתח המוצא המתחלף מתקבל על ידי ההבדל בין שני ענפים של תאי מיתוג. מתח המוצא מתקבל על ידי הפעלה וכיבוי מושכל של הטרנזיסטורים ברגעים מסוימים. ישנם ארבעה מצבים שונים בהתאם לאילו מתגים סגורים. הטבלה שלהלן מסכמת את המצבים ומתח המוצא המבוסס על פיהם המתגים סגורים.

כדי למקסם את מתח המוצא, הרכיב הבסיסי של מתח הכניסה בכל ענף חייב להיות מחוץ ל -180 מעלות. המוליכים למחצה של כל ענף משלימים את הביצועים, כלומר כאשר אחד מוליך את השני הוא ניתוק ולהיפך. טופולוגיה זו היא הנפוצה ביותר עבור ממירים. התרשים באיור 1 מציג את מעגל הטופולוגיה של גשר מלא עבור מהפך חד פאזי.

שלב 4: טרנזיסטור דו קוטבי מבודד שער

הטרנזיסטור הדו קוטבי של השער המבודד (IGBT) הוא כמו MOSFET עם תוספת של PNjunction השלישי. זה מאפשר שליטה מבוססת מתח, כמו MOSFET, אך עם מאפייני פלט כמו BJT לגבי עומסים גבוהים ומתח רוויה נמוך.

ניתן לראות ארבעה אזורים עיקריים בהתנהגותו הסטטית.

● אזור מפולת

● אזור הרוויה

● אזור חיתוך

● אזור פעיל

אזור המפולת הוא האזור בו מופעל מתח מתחת למתח התמוטטות, וכתוצאה מכך נהרס ה- IGBT. אזור החיתוך כולל ערכים ממתח פירוק ועד מתח סף, שבו ה- IGBT אינו מוליך. באזור הרוויה, ה- IGBT מתנהג כמקור מתח תלוי והתנגדות סדרתית. עם וריאציות מתח נמוכות, ניתן להשיג הגברה גבוהה של הזרם. אזור זה הוא הרצוי ביותר לפעולה. אם המתח מוגבר, ה- IGBT נכנס לאזור הפעיל והזרם נשאר קבוע. יש מתח מרבי המופעל על IGBT כדי להבטיח שהוא לא ייכנס לאזור המפולת. זהו אחד המוליכים למחצה הנפוצים ביותר באלקטרוניקה חשמלית, שכן הוא יכול לתמוך במגוון רחב של מתחים מכמה וולט לקילו -וולט והספקים בין קילוואט ל- MW.

טרנזיסטורים דו קוטביים אלה מבודדים משמשים כמכשירי מיתוג לטופולוגיה של מהפך חד פאזי בגשר מלא.

שלב 5: בלוק אפנון רוחב הדופק ב- GreenPAK

בלוק אפנון רוחב הדופק (PWM) הוא בלוק שימושי שניתן להשתמש בו למגוון רחב של יישומים. ניתן להגדיר את בלוק DCMP/PWM כבלוק PWM. ניתן להשיג את בלוק PWM באמצעות FSM0 ו- FSM1. סיכת PWM IN+ מחוברת ל- FSM0 ואילו IN-pin מחובר ל- FSM1. הן FSM0 והן FSM1 מספקים נתונים של 8 סיביות לחסימת PWM. פרק הזמן של PWM מוגדר על ידי פרק הזמן של FSM1. מחזור ההפעלה של בלוק PWM נשלט על ידי FSM0.

?????? ???? ????? = ??+ / 256

ישנן שתי אפשרויות לתצורת מחזור העבודה:

● 0-99.6%: DC נע בין 0% ל- 99.6% ונקבע כ- IN+/256.

● 0.39-100%: DC נע בין 0.39% ל- 100% ונקבע כ (IN + 1)/256.

שלב 6: עיצוב GreenPAK ליישום גל מרובע מבוסס PWM

ישנן מתודולוגיות בקרה שונות בהן ניתן ליישם מהפך חד פאזי. אסטרטגיית בקרה אחת כזו כוללת גל מרובע מבוסס PWM עבור המהפך החד פאזי.

GreenPAK CMIC משמש ליצירת דפוסי מיתוג תקופתיים על מנת להמיר בנוחות DC ל- AC. מתחי ה- DC מוזנים מהסוללה וניתן להשתמש בפלט המתקבל מהממיר כדי לספק את עומס ה- AC. לצורך יישום זה הערה תדר AC הוגדר ל- 50Hz, תדר כוח ביתי נפוץ בחלקים רבים של העולם. בהתאם, התקופה היא 20ms.

דפוס המיתוג שחייבים ליצור על ידי GreenPAK עבור SW1 ו- SW4 מוצג באיור 3.

דפוס ההחלפה עבור SW2 ו- SW3 מוצג באיור 4

ניתן לייצר את דפוסי המיתוג לעיל באמצעות בלוק PWM. פרק הזמן של PWM נקבע לפי פרק הזמן של FSM1. יש להגדיר את תקופת הזמן עבור FSM1 ל 20ms המתאימה לתדר 50Hz. מחזור ההפעלה של בלוק PWM נשלט על ידי הנתונים שמקורם ב- FSM0. על מנת ליצור את מחזור החובה של 50%, ערך הנגד FSM0 מוגדר להיות 128.

העיצוב המקביל של GreenPAK מוצג באיור 5.

שלב 7: חסרון של אסטרטגיית בקרת גל מרובע

השימוש באסטרטגיית בקרת הגלים המרובעים גורם למהפך לייצר כמות הרמונית גדולה. מלבד התדר הבסיסי, לממירים של גל מרובע יש רכיבי תדר מוזר. הרמוניות אלה גורמות לשטף המכונה להיות רווי, ובכך להוביל לביצועים גרועים של המכונה, ולעתים אף לפגוע בחומרה. מכאן ש- THD המיוצר על ידי סוגים אלה של ממירים גדול מאוד. על מנת להתגבר על בעיה זו ניתן להשתמש באסטרטגיית בקרה אחרת המכונה Quasi- Square Wave להפחתה משמעותית של כמות ההרמוניות המיוצרות על ידי המהפך.

שלב 8: עיצוב GreenPAK ליישום גל מעין מרובע מבוסס PWM

באסטרטגיית בקרת הגל הכמעט מרובע, מוצג מתח יציאה אפס שיכול להפחית באופן משמעותי את ההרמוניות הקיימות בצורת הגל המרובעת המקובלת. היתרונות העיקריים בשימוש בממיר גל מעין מרובע כוללים:

● ניתן לשלוט במשרעת המרכיב הבסיסי (על ידי שליטה ב- α)

● ניתן לחסל תוכן הרמוני מסוים (גם על ידי שליטה ב- α)

ניתן לשלוט על משרעת המרכיב הבסיסי על ידי שליטה בערך α כפי שמוצג בפורמולה 1.

ניתן לבטל את ההרמוניה ה- n אם משרעתה הופכת לאפס. לדוגמה, משרעת ההרמוניה השלישית (n = 3) היא אפס כאשר α = 30 ° (נוסחה 2).

עיצוב GreenPAK ליישום אסטרטגיית בקרת הגל קוואסי-מרובע מוצג באיור 9.

בלוק PWM משמש ליצירת צורת גל מרובעת עם מחזור עבודה של 50 %. מתח היציאה האפס מוצג על ידי עיכוב המתח המופיע על פני פין 15. בלוק P-DLY1 מוגדר לזהות את הקצה העולה של צורת הגל. P-DLY1 יזהה מעת לעת את הקצה העולה לאחר כל תקופה ויפעיל את חסימת DLY-3, המייצרת עיכוב של 2 ms לפני שעון ה- VDD על פני כפיית D-flip כדי לאפשר את פלט Pin-15.

Pin-15 יכול לגרום להפעלת SW1 ו- SW4 כאחד. כאשר זה קורה, מתח חיובי יופיע על פני העומס.

מנגנון זיהוי הקצה העולה של P-DLY1 מפעיל גם את בלוק DLY-7, שאחרי 8ms מאפס את כפיית ה- D-flip ו- 0 V מופיע על פני הפלט.

DLY-8 ו- DLY-9 מופעלים גם הם מאותו קצה עולה. DLY-8 מייצר עיכוב של 10ms ומפעיל שוב את DLY-3, שאחרי 2ms ישעזר את ה- DFF וגורם לשיא לוגי על פני שני השערים AND.

בשלב זה Out+ מבלוק PWM הופך ל -0, מכיוון שמחזור ההפעלה של הבלוק הוגדר ל- 50 %. Out- יופיע לאורך Pin-16 וגורם ל- SW2 ו- SW3 להידלק, ויוצר מתח לסירוגין על פני העומס. לאחר 18 ms DLY-9 יאפס את ה- DFF ו- 0V יופיע על פני Pin-16 והמחזור התקופתי ימשיך לפלט אות AC.

התצורה של בלוקים שונים של GreenPAK מוצגת באיורים 10-14.

שלב 9: תוצאות

מתח DC 12 V מסופק מהסוללה למהפך. המהפך ממיר מתח זה לצורת גל AC. הפלט מהמהפך מוזרם לשנאי צעד הממיר מתח 12 וולט AC ל -220 וולט שניתן להשתמש בו כדי להניע את עומסי AC.

סיכום

במדריך זה, יישמנו מהפך חד פאזי באמצעות אסטרטגיות בקרת גל Wave ו Quasi Square Wave באמצעות GreenPAK ו- CMIC. GreenPAK CMIC משמשים תחליף נוח של בקרי מיקרו ומעגלים אנלוגיים המשמשים באופן מקובל להטמעת מהפך חד פאזי. יתר על כן, ל- GreenPAK CMIC פוטנציאל בעיצוב של שלושה ממירים.