Design and Implementation of Three-phase Voltage source Inverter with Gate Drive Circuits

Abstract

The objective of this work is the study, design, and implementation of a three-phase voltage inverter and its gate-driver circuits based on the bootstrap technique, controlled using Pulse Width Modulation (PWM) strategies, including Sinusoidal PWM (SPWM) and Enhanced PWM (ePWM). This project is divided into three main parts. First, a bibliographical study is presented on the design and topology of different types of inverters, as well as gate-driving circuits and switching techniques for both high-side and low-side transistors. The operating principles and applications of these systems are also discussed. The second part focuses on the modelling and simulation of the three-phase voltage inverter and its control strategies. Simulation results are analysed through the evaluation of voltage and current waveforms under different operating frequencies. In the third part, the electronic components required for both the control and power circuits were selected. The proposed system was then designed and validated using the EasyEDA platform, followed by the fabrication of the printed circuit board (PCB). After assembling the electronic components, the LAUNCHXL-F28379D microcontroller was programmed to implement various PWM strategies with both resistive (R) and resistive-inductive (RL) loads. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed inverter system and validate its satisfactory performance under different operating conditions. "يهدف هذا العمل إلى دراسة وإنجاز عاكس جهد (Voltage Inverter) ودوائر القيادة الخاصة به (Drivers) باستخدام تقنيات البوتستراب (Bootstrap) ، والمتحكم بها بواسطة تقنية تعديل عرض النبضة PWM وتحديداً الـ Sinusoidal PWM والـ ePWM ويمكن تلخيص هذا المشروع في ثلاثة أجزاء رئيسية على النحو التالي:

أولاً: دراسة مرجعية حول تصميم وبنية (Topology) مختلف أنواع العواكس (Inverters)، بالإضافة إلى الدوائر وتقنيات تشغيل البوابات (Gate driving) سواء لترانزستور الجانب العلوي (High side) أو الجانب السفلي (Low side)، فضلاً عن مبدأ عملها وتطبيقاتها.

ثانياً: نمذجة ومحاكاة عاكس الجهد واستراتيجيات التحكم، مع استخراج نتائج المحاكاة المتمثلة في منحنيات الجهد والتيار وفقاً للترددات المستخدمة في المحاكاة.

في الجزء الثالث: تم اختيار المكونات الإلكترونية لدائرة التحكم ودائرة الاستطاعة (Power circuit)، ثم تنفيذ النموذج المقترح على منصة EasyEDA للتحقق من صحة الدوائر المقترحة وطباعة الـ PCB على الصفيحة النحاسية. وأخيراً، تم تركيب المكونات الإلكترونية على اللوحة، ومن ثم برمجة المتحكم الدقيق LAUNCHXL-F28379D لتطبيق مختلف استراتيجيات تقنية الـ PWM مع حمولة مقاومية R وحمولة مقاومية-تحريضية RL. وقد أعطت نتائج هذه التجربة أفضل النتائج المطلوبة"