Giriş: Neden Güç Elektronikinde Blok Diagrams Madde

Güç elektronik devreleri - basit bir AC-DC retifier veya karmaşık üç fazlı dönüştürücüyü ortaya çıkarmak - enerji dönüşümünü, kontrol ve korumayı ele alan alt sistemlerden inşa edilmiştir.Açık bir görsel olmadan, mühendisler risk yanlış sinyal akışlarını gözden geçirmek, geri bildirim yollarını göz ardı etmek veya yanlış yükleme koruma cihazları. Bloklar bu haritayı ortaya çıkarmak için üst düzey mimariyi ortaya çıkarmak için kilitlenirler.

Bu makalede, güç elektronik için blok tasarımının temellerini inceleyeceğiz, temel unsurları kıracağız, sistematik bir tasarım sürecinde yürüyün ve kanıtlanmış en iyi uygulamaları paylaşacağız.Sadece doğru değil aynı zamanda analiz, simülasyon ve dokümantasyon için hemen yararlı olan diyagramlar oluşturacağınızı öğreneceksiniz.

Blok Diagrams Nedir?

Bir blok diyagramı, her büyük işlevin veya bileşeninin bir blok tarafından temsil edildiği bir sistemin grafiksel gösterimidir ve bloklar arasındaki ilişkiler hatların ve oklar tarafından gösterilir. Güç elektroniklerinde, bu bloklar genellikle kaynaklara, dönüştürücülere, kontrolörlere, yüklere ve koruma devrelerine karşılık gelir. oklar güç akışının yönünü gösterir, sinyal akışına veya kontrol sinyallerine işaret eder.

Her direnç gösteren ayrıntılı şematikten farklı olarak, kapasitör ve transistör bağlantı, blok diyagramları soyut bir şekilde parça düzeyinde karmaşıklık sağlar. Sistem aracılığıyla enerji nasıl hareket ettiğini ve bu soyutlamanın onları nasıl ideal ettiğini göstermeye odaklanırlar:

  • [FONT:0)Sistem seviyesi planlama:[[Dönlendirmeye çalışmadan önce, mühendisler genel topolojiyi değerlendirebilir.
  • [FONT:0) İletişim: [Döneticiler (proje yöneticileri, müşteriler) sistemi EE jargon olmadan kavrayabilir.
  • [FONT:0)Debugging:[Dönetici:0) Bir blok diyagramı, fonksiyonel zinciri açıklayarak hatalı alt sistemlere yardımcı olur.
  • [FONT:0)Belgeleme:[Dönetici:[Dönetici:0) Tasarım incelemeleri, veri tabloları ve kullanıcı kılavuzları tüm basitleştirilmiş blok diyagramlarından yararlanır.

Blok diyagramları birden çok soyutlama aşamasında bulunur. Güneşli bir inverter için yüksek seviyeli bir diyagram, seyirci ve amaç için doğru ayrıntı seviyesini seçmektir.

Power Electronics Block Diagrams'ın Anahtar Elements of Power Electronics Block Diagrams

Her güç elektronik sistemi birkaç temel bloka neden olabilir. Bu bina bloklarını anlamak, bir diyagram çizmek için önce gereklidir. Aşağıda, temel elementler, pratik örnekler ve tipik özelliklerle genişletilir.

Kaynaklar

Kaynak bloğu girdi enerji tedarikini temsil eder. Güç elektroniklerinde kaynaklar olabilir:

  • [FONT:0)DC kaynakları:[Dönemli bataryalar, fotovoltaik paneller, yakıt hücreleri veya yeniden tanımlanmış AC.
  • [FONT:0)AC kaynakları: [Dönetici: 0:1] Yardımcı ağ, jeneratörler veya alternatörler.
  • [FONT:0)Variable kaynaklar:[Dönetici:[Dönetici:0)[değiştir | kaynağı değiştir] Yenilenebilir kaynaklar dalgalanma çıktı (örneğin rüzgar türbinleri).

Kaynak bloğu çizerken, nominal gerilim, frekans ( AC için) ve maksimum mevcut olan anahtar parametrelerin bir anahtar parametrelerinin birleştirilmesi yardımcı olur. karmaşık multi-kaynak sistemler (örneğin, hibrit elektrikli araçlar), birden çok kaynak bloğu ile bir araya getirilebilir.

Paketler

Operatörler herhangi bir güç elektronik sisteminin kalbidir. Onlar gerilim, mevcut, frekans veya dalga formlarını değiştirirler. Ortak türler şunlardır:

  • [FONT:0)AC-DC (köpektifler):), Single-fay veya üç fazlı, kontrollü veya kontrolsiz.
  • [FONT:0]DC-DC (choppers):), Buck, güçlendirme, buck-boost, ⁇ uk, SEPIC – her biri ayrı transfer işlevleri ile.
  • [FONT:0)DC-AC (inverters): ), Single-fay, üç fazlı, çok seviyeli veya rezonans dönüştürücüler.
  • [FONT:0)AC-AC (cycloconverters, matrix dönüştürücüler):[Dön frekans ve amplifikasyon dönüşümü).

Bir blok diyagramında, her dönüştürücü tek bir blok olarak gösterilir. Ancak, tasarımcı bunu kontrol ve güç aşamaları için alt bloklara bölmeyi seçebilir. Örneğin, bir inverter bloğu DC otobüs kapasitör, bir geçiş köprüsü ve bir çıkış filtresine yol açabilir.

kontrolörler

Kontrol blok geri bildirim sinyalleri alır (görücü, mevcut, sıcaklık) ve dönüştürücüler için anahtarlama sinyalleri oluşturabilir (parça temelli), dijital (DSP, FPGA), veya bir hibrid.

  • [FONT=0] Devreleri Tanımlar: [Dönder: [Dönder: Gergeler, mevcut transformatörler, Hall- effects sensörler.
  • [FONT:0]Compensatörler / Checkulators: PI, PID veya daha gelişmiş kontrol yasaları.
  • [FONT:0]PWM modülcular:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Kapı sürücü pul pulsunu düzeltin.
  • [FONT=0) Koruma mantığı:[Dönemli, aşırı gerilim ve termal kapanma.

Blok diyagramlarında, kontrolör genellikle düşük güç kontrol sinyalleri ve güç akışını temsil eden ağır hatların bulunduğu dönüştürücüye yakın yerleştirilir.

Yükler

Yük elektrik enerjisini tüketmektedir. Yük blokları olabilir:

  • [FONT:0) Pasif yükler:[Döneticiler, ısıtıcılar, incandescent ışıklar.
  • [FONT:0)Active Yükleri:[Dönetici: Motorlar, batarya şarjları, elektroliz hücreler.
  • [FONT:0)Grids:[[Dönemli inverterler için, faydalı ağ yük.

Elektrik özellikleri ile yükün bir anlamı önemlidir (örneğin, güç derecelendirmesi, gerilim toleransı) çünkü bu bilgi dönüştürücü tasarımı. Örneğin, bir motor yükü yumuşak başlangıç kapasitesi gerektirebilir.

Koruma cihazları

Hiçbir güç elektronik sistemi koruma olmadan tamam değildir. Koruma blokları şunları içerir:

  • [FONT:0)Fus ve devre kesiciler:[Dönetici:[Dönetici:0) giriş veya çıktıda aşırı koruma.
  • [FONT:0]TVS diyotları veya DNTler: Transient gerilim baskısını bastırır.
  • [0]Mevcut sınırlayıcılar: [Döneticiler veya aktif devreler.
  • [FONT:0)Galvanic izolasyon:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: 1) Transformers, opto çiftleri veya isolators.

Bir blok diyagramında, koruma cihazları genellikle kaynak ve dönüştürücü arasında veya dönüştürücü arasında yerleştirilir ve yük arasında. Her zaman ayrı bloklar olarak çizilmemektedir - bazen dönüştürücü veya kontrol blokları içinde yer alır - ancak onları açıkça güvenlik-kritik tasarımlar için göstermek için iyi bir uygulamadır.

Ancillary Blocks

Sisteme bağlı olarak, bloklara da ihtiyacınız olabilir:

  • [FONT:0) Filtreler:[Dönler:[Dönler:[Dönler:) Giriş EMI filtreler, çıkış harmonik filtreler.
  • [FONT:0)Enerji depolama:[Döneticiler, indüktörler veya düzgünleştirici veya tamponlama için kullanılan bataryalar.
  • [FONT:0]Gate sürücüleri: PWM sinyalini MOSFETs /IGBT'leri sürmek için güçlendirin.
  • [FONT=0) İletişim arayüzleri: [Dönetici: UART, CAN, İzleme veya uzaktan kontrol için Ethernet.

Bir Block Diagram Tasarım Adımları

Bir blok diyagramı oluşturmak, kutuları hakemli olarak çizmekle ilgili değildir - bir metodolojik bir yaklaşım gerektirir. Sistem mühendisliği uygulamaları ile ilgili aşağıdaki adımlara uyarıldı ve güç elektroniklerine uyarıldı.

1. Sistem bileşenleri ve Sınırları Tanımlayın

Sistemin ihtiyaç duyduğu her işlevsel bloku listelemeye başlayın. Bu aşamada, her blokun nasıl uygulandığı konusunda endişelenmeyin; sadece amacınızı yakalamanız. Örneğin, USB-C güç bankası için: girdi AC adaptörü, batarya şarj cihazı, batarya, kuvvetlendirici, USB port koruması, mikro kontrol cihazı, tüm sistemdeki bir kaba sınır kutusu çizin.

2.Probiyonlar

Her blok için, sorun: bir sonrakinden enerji akışı mı? Kontrol sinyali gerekli mi? hatları çizin. Güç yolları ve kontrol için ince çizgiler için kalın çizgiler kullanın / sinyal tipi ile bağlantı kurabilirsiniz (örneğin, “380 V DC otobüsü”, “I2C otobüs”). Bu adım sık sık eksik bloklar -örneğin, bir gerilim düzenleyici blokun batarya ve mikro kontroller arasında gerekli olduğunu fark edebilirsiniz.

3. Kompleks Elements

Bazı işlevsel bloklar kendi sistemleridir. “motor kontrolörü”, DC-DC adımını, bir dönüştürücüyü ve DSP'yi üst düzey bir blok diyagramında, yalnızca bir blok “motor kontrolörü” gösterebilir.

4. Mantıksal olarak

Sol sağ veya üst düzey bir akışta bulunan bloklar, güç doğal ilerlemelerini yansıtan ses akışına işaret eder: kaynak → dönüştürücüler ve geri bildirimler yolları, güç akışının altında veya yanındakilere yerleştirilmelidir, kontrol ve kontrolcülerden anahtarlara işaret eder. Consistent düzenleme, çizim yazılımınızda herhangi bir eğrileri okumak için bilişsel yükü azaltır.

5. Etiket açıkça açık

Her blok, "Ctrl" yazmak yerine, "PWM Controller" veya harita kullanımları özel sembolleri veya çizgi stilleri kullanarak kısa bir ayaknot veya efsane ekleyin. Örneğin, "Ctrl" yazmak yerine, "PWM Controller" yazmalısınız.

6. Geçerlilik ve Iterate

İlk taslaktan sonra, güç akışını çıktıktan çıktıya takip edin. Eksik bağlantı veya çelişkili yollar yoktur. Kontrol döngüsü kapalıdır: sensör çıktıları kontrol cihazına ulaşmak zorundadır ve kontrolör çıktıları dönüştürücüye bağlanmak zorundadır.Bir meslektaşınızla diyagramı paylaşın veya Simulink veya PLECS gibi bir aracı kullanarak simülasyon yapın.

Block Diagram Design'da En İyi Uygulama

Temel adımların ötesinde, deneyimli mühendisler daha etkili diyagramlar yapan bir dizi kongre takip eder.

Standart Sembolleri Kullanın

Blok diyagramları şemalardan daha az standarttır, birçok güç elektronik mühendisi IEEE 315-1975 veya IEC 60617'den jeneratörler, bataryalar ve anahtarlar gibi bileşenler için, belirli bir güç yarı iletken sembolleri ile bir araya gelir (örneğin, diyot, IGBT), bir projedeki standart ikonuyu tanımaya yardımcı olur.

Consistent Visual Style

Aynı blok boyutunu, çizgi kalınlığını, fontunu ve renkli planı tüm diyagramlar boyunca kullanabilirsiniz (kırmızı) kontrol sinyalleri (mavi) ve koruma devreleri (sarı) ancak renke güvenmeyin - metin etiketlerine ekleyin, çünkü diyagramlar siyah ve beyazda yazdırılabilir veya renkli okuyucular tarafından görüntülenebilir.

Basit tutun

Altın kural: Bir blok diyagramı bir bakışta anlaşılabilir olmalıdır.Eğer transistörlere karşı ayrıntıları ekleyerek veya kapasitörler atlatmak için ayrıntılar eklerseniz, çok uzak gittiniz - her blok bir avuç port veya bağlantıya sahip olmamalıdır.

Doküman Version Changes Changes

Power elektronik tasarımları hızla gelişti.Her blok diyagramı için revizyon tarihi koruyun, ya çizim üzerinde ya da ayrı bir dosyada yorum olarak. Bir parametre değişikliği (örneğin, otobüs gerilimi 48 V'den 54 V'e yükseldi), blok diyagramını güncelleyin.

Geri bildirim ve Ground Referansları

Birçok güç elektronik sistemleri kapalı-loop kontrolüne güveniyor. Her zaman geri bildirim sinyallerinin (sensors) ve hangileri sona erdiğini gösteriyor (kontroller).Yer referansları (örneğin, izole zemin, şasi zemin) standart zemin sembolleriyle dışlanmış boşlukları önlemek için standart zemin sembolleriyle. Benzer şekilde, birincil ve ikincil arasında farkedilen engeller açıkça - birincil ve ikincil arasındaki farklar ortak bir güvenlik gerekliliğidir.

Mevcut Araçlar

[FONT:0]Drawing software:[Drawing software:[Drawing software|Drawing software:[DDDrawing software:[DDDDDrawing software:[DFLT:2) Microsoft Visio)) tarafından yayımlanmış grafikleri üretebileceğiniz bir grafik oluşturabilir.In LaTeX kullanıcıları için).

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

Deneyimli mühendisler hata yapar. İşte güç elektronik blok diyagramlarında görülen en sık konular:

  • [FONT:0) Ortada veya geri dönüş yolları: [Döneticileri, her mevcut geri dönüş yolunda ihtiyaç duyar. geri dönüş hattını açıkça göster, özellikle farklı bloklar izole edilmiş gerekçesiyle.
  • [FONT:0) Güç ve kontrol sinyalleri: Bir kapı sürücüsüne bir mikro kontrolden gelen kalın bir çizgi yanıltıcıdır - mikro kontroller mantık seviyesinde bir sinyal sağlar, kapı sürücüsü gücü belli değildir.
  • [FONT:0)Tek bir bloktan yükleniyor:[Döntgen: 1 ) Bir blok hem bir dönüştürücüyü hem de kontrolörünü temsil etmeye çalışırsa, diyagramlar büyük ölçüde belirsiz hale gelir.
  • [FONT:0)Başlangıç ve kapanış dizilerini görmezden gelir:[Dönetici: 0:0) Birçok güç elektronik sistemi, önceden şarj devrelerinin, yumuşak başlangıç veya deşarjların test sırasında karışıklıklara neden olabilir.
  • [FONT:0) Değişikliklerden sonra güncellenme:[Dönem:[Dönem: 0) Blok diyagramları canlı belgelerdir. Sistem mimarisi değişiklikleri, diyagramı hemen güncelleyin.

Sonuç: Diagram'dan Ürüne

İyi tasarlanmış bir blok diyagramı oldukça resimden daha fazlasıdır - simülasyon, bileşen seçimi, PCB düzeni ve debugging için bir yol haritasıdır. Güç elektroniklerinde, gerilimler ve mevcutlar tehlikeli ve pahalı olabilir, net bir diyagram, donanımın inşa edilmesinden önce hataları önlemeye yardımcı olur.

Basit sistemlerle başlayın – tek fazlı bir dönüştürücü – ve pratik çizim blok diyagramları burada açıklanan adımları ve en iyi uygulamaları kullanarak. Daha karmaşık topolojileri ele aldığınızda, temiz yaratma alışkanlığı, mantıksal diyagramlar tüm ürün yaşam döngüsü boyunca kar payı ödeyecektir. Unutmayın: hedef her teli belgelemek için değil, herhangi bir mühendisin çabucak anlayabileceği şekilde iletişim kurmaktır.