Tutorial sobre cómo diseñar un inversor con MCU de Holtek

Tutorial sobre cómo diseñar un inversor con MCU de Holtek

En este tutorial, veremos cómo podemos diseñar un inversor haciendo uso de un MCU del fabricante Holtek. Con este inversor podremos convertir la corriente continua en corriente alterna, cumpliendo los requisitos de la energía móvil o para suministrar energía en regiones sin suministro eléctrico.

Utilizando la MCU HT45F5V dedicada, la solución de inversor de Holtek de 150W puede convertir una entrada de CC de 10,5V~14,5V en una salida de CA de 220V/50Hz o 110V/60Hz, proporcionando una potencia de salida de 150W. El HT45F5V incluye un circuito de detección de CA y un generador SPWM de onda sinusoidal que proporciona una mayor flexibilidad de control por software. La forma de onda de salida se ajusta mediante el circuito de detección de CA. Además, dispone de funciones de protección contra sobretensión/subtensión, protección contra sobrecorriente, protección contra sobretemperatura y detección de paso por cero de CA.

 

Introducción

En la era moderna de la electrónica, los inversores se han convertido en componentes esenciales para una variedad de aplicaciones, desde sistemas de energía renovable hasta dispositivos portátiles. Un inversor es un dispositivo que convierte corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), permitiendo así que dispositivos electrónicos funcionen con fuentes de energía de CC, como baterías o paneles solares. El diseño de un inversor eficiente y fiable puede ser un desafío, pero con la ayuda de los microcontroladores, esta tarea se vuelve mucho más manejable y precisa.

En este tutorial, aprenderemos a diseñar un inversor utilizando un microcontrolador del fabricante Holtek. Holtek Semiconductor es una compañía conocida por su amplia gama de microcontroladores versátiles y de alto rendimiento, adecuados para diversas aplicaciones electrónicas. Estos microcontroladores ofrecen una combinación ideal de capacidad de procesamiento, eficiencia energética y facilidad de programación, lo que los hace perfectos para el diseño de inversores.

A lo largo de este tutorial, abordaremos los conceptos básicos del funcionamiento de un inversor, exploraremos las características específicas de los microcontroladores Holtek que los hacen aptos para este propósito, y proporcionaremos una guía paso a paso para el diseño, programación y prueba de un inversor. Desde la selección de componentes hasta la implementación de algoritmos de control, cada sección está diseñada para equiparlo con el conocimiento y las habilidades necesarias para crear su propio inversor eficiente y funcional.

Inversores

Un inversor es un dispositivo electrónico que convierte corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Este proceso es esencial para alimentar dispositivos eléctricos diseñados para funcionar con corriente alterna, utilizando fuentes de energía que proporcionan corriente continua, como baterías y paneles solares. Los inversores son componentes críticos en sistemas de energía renovable, sistemas de respaldo de energía, vehículos eléctricos, y muchas otras aplicaciones.

Principio de Funcionamiento de un Inversor

El principio básico de funcionamiento de un inversor implica varios pasos clave que convierten la corriente continua en una forma de onda de corriente alterna adecuada para su uso. A continuación, se describen estos pasos:

1. Oscilación
   El primer paso en el proceso de inversión es convertir la corriente continua en una señal alterna de alta frecuencia. Esto se logra utilizando un oscilador, que puede ser un circuito basado en componentes electrónicos pasivos o un microcontrolador programado para generar una señal de salida oscilante.
2. Modulación de Ancho de Pulso (PWM)
   Para obtener una forma de onda de salida que se asemeje a una sinusoide, se utiliza una técnica llamada Modulación de Ancho de Pulso (PWM). En PWM, la señal oscilante se modula variando el ancho de los pulsos. Esto permite controlar la potencia entregada a la carga y aproximar la forma de onda deseada. Los microcontroladores, como los de Holtek, son especialmente útiles en esta etapa debido a su capacidad para generar señales PWM precisas y ajustables.
3. Amplificación
   La señal PWM generada es de baja potencia y necesita ser amplificada para ser útil en aplicaciones de alta potencia. Esto se logra mediante el uso de transistores de potencia o MOSFETs, que amplifican la señal PWM manteniendo su forma y frecuencia. La salida amplificada se utiliza para alimentar la carga final.
4. Filtrado
   Aunque la señal PWM amplificada puede ser suficiente para algunas aplicaciones, en muchos casos es necesario suavizar la señal para obtener una forma de onda de corriente alterna más pura y similar a una sinusoide. Esto se logra utilizando filtros, típicamente inductores y condensadores, que eliminan las componentes de alta frecuencia no deseadas y suavizan la señal de salida.

Aplicaciones de los Inversores

• Energía Renovable: Inversores para sistemas solares y eólicos que convierten la energía generada en CA utilizable.
• Sistemas de Respaldo: Inversores en sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) que proporcionan energía durante cortes de energía.
• Electrónica de Consumo: Inversores en dispositivos portátiles y electrónicos que permiten el uso de baterías recargables.
• Automoción: Inversores en vehículos eléctricos que convierten la energía de la batería para accionar los motores eléctricos.

Figura 1. Diagrama de bloques de la solución

La solución de inversor Holtek 150W, combinada con el MCU Flash dedicado SPWM HT45F5V, es capaz de convertir una entrada de CC de 10,5V~14,5V en una salida de CA de 220V/50Hz o 110V/60Hz. El HT45F5V incluye un convertidor A/D multicanal de 12 bits y un generador PWM de onda sinusoidal. Se incluyen varios módulos temporizadores que proporcionan funciones de temporización, generación de pulsos y generación de PWM. El MCU también proporciona funciones de protección contra sobretensión, protección contra sobrecorriente y detección de paso por cero de CA.

Utiliza un circuito de conducción push-pull y un transformador de alta frecuencia para elevar una señal de CC de baja tensión a una señal de CC de alta tensión, que se aplica al circuito de puente H. El dispositivo genera una señal de onda sinusoidal SPWM y una señal de onda fundamental de 50 Hz/60 Hz para controlar el encendido/apagado del transistor MOS del puente H del inversor. Se utiliza un circuito de filtro LC para emitir una señal de CA de onda sinusoidal pura. La forma de onda de la tensión de salida se ajusta mediante el circuito de detección de CA para garantizar la estabilidad de la tensión de salida.

Características de la solución

1. Componentes simplificados: circuitos integrados de protección contra sobrecorriente, protección contra sobretensión y detección de CA. Los circuitos integrados de protección contra sobrecorriente y sobretensión del HT45F5V pueden reaccionar rápidamente para proteger el dispositivo, reduciendo al mismo tiempo el número de componentes periféricos necesarios. También se proporciona un circuito interno de detección de CA para implementar la retroalimentación oportuna y el ajuste de la forma de onda de salida.
2. Múltiples funciones de protección: protección contra subtensión/sobretensión de entrada, protección contra sobrecarga y protección contra cortocircuito de salida.
   Esta solución dispone de múltiples funciones de protección que permiten detectar en tiempo real el estado de funcionamiento del dispositivo para protegerlo y proteger a los usuarios. Las funciones de protección incluyen protección contra subtensión de entrada, protección contra sobretensión de entrada, protección contra sobretemperatura, protección contra sobrecorriente de hardware, protección contra cortocircuito de salida, protección contra sobrecarga y protección contra sobretensión de 450 V CC.

Microcontrolador HT45F5V

El HT45F5V es un microcontrolador especializado (ASSP MCU) diseñado específicamente para aplicaciones de inversores SPWM (Modulación de Ancho de Pulso Sinusoidal). Este dispositivo ofrece la conveniencia de la memoria Flash con capacidad de programación múltiple, así como una variedad de funciones avanzadas. Además de la memoria Flash, incluye memoria RAM y memoria EEPROM para el almacenamiento de datos no volátiles como números de serie y datos de calibración.

Características Analógicas

• Convertidor A/D de 12 bits y múltiples canales
• Generador de ondas sinusoidales PWM
• Detector de potencia CA

Características de Temporización y Comunicación

• Módulos de temporización flexibles para generación de pulsos y funciones PWM
• Módulo UART para comunicación de datos entre microcontroladores, enlaces de datos económicos entre PCs y dispositivos periféricos, y dispositivos portátiles.

Funciones de Protección

• Watchdog Timer interno
• Restablecimiento por baja tensión (LVR)
• Detector de baja tensión (LVD)
• Protección contra sobrecorriente y sobretensión
• Inmunidad al ruido y protección contra ESD

Osciladores y Modos de Operación

El HT45F5V incluye una variedad de funciones de oscilador interno y externo, incluyendo un oscilador del sistema totalmente integrado que no requiere componentes externos. Puede cambiar dinámicamente entre diferentes modos de operación y fuentes de reloj, permitiendo optimizar el funcionamiento del microcontrolador y minimizar el consumo de energía.

Características de Entrada/Salida

El dispositivo cuenta con características de programación de E/S flexibles y funciones de base de tiempo, asegurando su utilidad en aplicaciones de inversores SPWM.

En resumen, el HT45F5V es un microcontrolador robusto y versátil, ideal para aplicaciones de salida de inversores SPWM debido a sus avanzadas características analógicas, de temporización, comunicación y protección.

Puede consultar sus especificaciones en el siguiente enlace.

Descripción Funcional

Los inversores son dispositivos que convierten las entradas de CC en salidas de CA. Aplicando una corriente continua de baja tensión a la entrada, se obtiene una corriente alterna sinusoidal estándar a la salida. Esta solución de inversor puede controlar el tiempo de arranque suave de la forma de onda de salida a 3s o 1,5s, y la salida de CA a 220V/50Hz o 110V/60Hz. En la siguiente figura se muestran imágenes físicas del producto.

Figura 2. Imagen del producto

 

Principios de funcionamiento

Esta solución de inversor Holtek se compone principalmente de la MCU HT45F5V, un circuito de accionamiento push-pull, un transformador de alta frecuencia y un circuito inversor de puente H. El MCU se utiliza principalmente para generar los pulsos de alta frecuencia que accionan el circuito push-pull, generar una forma de onda SPWM y una forma de onda fundamental para accionar el circuito inversor de puente H y ajustar la forma de onda de salida a través del bucle de realimentación.

Descripción Hardware

Figura 3. Diagrama del circuito

Figura 4. Esquemático del circuito

En la Figura 3 se muestra el diagrama de circuito de todo el dispositivo. Basándose en el principio de equivalencia de área SPWM, el inversor utiliza la MCU para generar pulsos de alta frecuencia para accionar el circuito push-pull y, a continuación, utiliza un transformador elevador de alta frecuencia para elevar una señal de CC de baja tensión a una señal de CC de alta tensión, que se aplica al brazo superior del driver MOS del puente H del inversor. La forma de onda SPWM y la forma de onda fundamental generadas por la MCU controlan cada una un brazo del puente H del inversor. El transistor MOS enciende y apaga una señal de CA sinusoidal y, finalmente, se genera una salida de CA sinusoidal pura mediante un circuito de filtro LC. La salida de CA se devuelve a la MCU a través de un circuito de detección de CA y, a continuación, la MCU ajustará la forma de onda de salida mediante cálculos PID.

Figura 5

Figura 6

La Figura 5 muestra un circuito regulador de tensión LDO, en el que el HT7550 es un regulador de alta tensión y bajo consumo que admite una tensión de entrada máxima de 30 V y una salida de 5,0 V. El IR2106S que se muestra en la Figura 6 es un controlador de medio puente MOSFET de potencia de alta tensión y alta velocidad con canales de salida de referencia de lado alto y bajo independientes, que están en fase con las entradas. Su alimentación de puerta está en un rango de 10V~20V. Sólo se requiere una fuente de alimentación y la fuente de alimentación flotante para el lado de alta tensión se implementa utilizando un condensador de arranque.

Figura 7

El circuito LM393 mostrado en la Figura 7 es un circuito hardware de protección contra sobrecorriente. Hay dos comparadores en el LM393, que se utilizan principalmente para la protección en condiciones de alta corriente. Combinados con software, pueden implementar protección contra cortocircuitos, etc. Cuando ocurre una condición de sobrecorriente, OUT1 emitirá un nivel bajo que fuerza a IN2+ a cambiar de alto a bajo. Por lo tanto, OUT2 emitirá una tensión baja, que a través del diodo puede reducir la señal SPWM y la señal de onda fundamental con el fin de apagar la salida del inversor para proteger el dispositivo.

Figura 8

El canal AN9 mostrado en la Figura 8 se utiliza para la detección de la tensión de entrada. La tensión de entrada después de la división es muestreada y detectada por la MCU a través de este canal AN9. Una tensión de entrada inferior a 10,5 V se considera subtensión y una tensión superior a 14,5 V se considera sobretensión. En ambas situaciones la salida del inversor se apagará. El circuito OVP es un circuito de protección contra sobretensión del bus, que se utiliza para detectar la tensión aumentada y rectificada. Si la tensión es superior a 450 V, se considera una sobretensión y la salida del inversor se desconecta.

Figura 9

La figura 9 muestra un circuito de detección de temperatura NTC. Un ventilador se encenderá si la temperatura es superior a 40°C y la salida del inversor se apagará si la temperatura es superior a 65°C.

Figura 10

La figura 10 muestra un circuito de detección de la corriente de salida. La corriente de salida es detectada por la función de detección OCP de la MCU. Si el valor pico de la corriente de salida es superior a 1,414 A, se activará la protección OCP para apagar la salida del variador.

Descripción Software

Programa principal (Main)

Figura 11

Subrutina Cálculo PID

Figura 12

Subrutina 500μs

Figura 13

Como se muestra en la Figura 13, se utiliza una subrutina de 500μs para implementar una función de arranque suave cuando se enciende el dispositivo para evitar daños en el dispositivo durante el encendido.

Subrutina 2ms

Figura 14

Como se muestra en la Figura 14, se utiliza una subrutina de 2 ms para implementar una temporización de 10 ms y ejecutar cálculos PID sobre el valor pico a pico de la tensión de salida. Se utilizan dos bucles para ajustar la forma de onda de salida.

Subrutina 10ms

Figura 15

La subrutina de 10ms mostrada en la Figura 15 se utiliza para determinar si la comunicación UART necesita volver a copiar la configuración inicial relevante y entonces realizar el control del estado del LED y ejecutar la temporización de 100ms y 1000ms.

Subrutina 100ms

Figura 16

Como se muestra en la Figura 16, la subrutina de 100 ms implementa principalmente la detección de temperatura y la detección de tensión de entrada de 12V. Cuando la tensión de entrada es inferior a 10,5V o superior a 14,5V, la salida del inversor se apagará.

Subrutina 1000ms

Figura 17

Como se muestra en la Figura 17, la subrutina 1000ms se utiliza principalmente para encender/apagar el ventilador. El ventilador se enciende si la temperatura es superior a 40°C y se apaga cuando es inferior a 40°C.

Subrutina de Servicio de Interrupción SPWM

Figura 18

La rutina de servicio de interrupción SPWM, como se muestra en la Figura 18, se utiliza principalmente para recargar el par de registros SFIFO que utiliza una estructura FIFO de 4 niveles. Se permiten cuatro grupos de almacenamiento de datos cada vez y un conjunto de datos de ciclo de trabajo se almacena cada cuatro períodos de muestreo. Cuando se leen los datos de ciclo de trabajo de la FIFO de 4 niveles, se genera una interrupción para informar a la MCU de que escriba los siguientes cuatro datos de ciclo de trabajo en el par de registros SFIFO. Se ha implementado en el programa una tabla SPWM para un ciclo de 1/4 de onda sinusoidal. Esta se buscará en secuencia positiva para los ciclos 1/4 y 3/4 y en secuencia inversa para los ciclos 2/4 y 4/4.

Subrutina de servicio de interrupción OCP (Sobrecorriente)

Figura 19

Como se muestra en la Figura 19, se considera que se ha producido una situación de sobreintensidad cuando el recuento de OCP es superior a 50, en cuyo caso la salida del inversor se apagará.

Subrutina de servicio de interrupción OVP (Sobretensión)

Figura 20

Como se ha indicado anteriormente, se considerará que se ha producido una situación de sobretensión cuando el recuento de OVP sea superior a 50, en cuyo caso se desconectará la salida del inversor.

Descripción del funcionamiento

Aplicando una tensión de 12 V CC en el lado de entrada, tras pulsar el interruptor de control, saldrá una tensión de 220V CA.

Descripción del indicador LED de estado:

 

Test realizados

Salida de 220 V/50 Hz sin carga:

Salida de 110 V/60 Hz sin carga:

Salida de 220 V/50 Hz con una carga de 150 W:

Salida de 110 V/60 Hz con una carga de 150 W:

Conclusiones

En este tutorial se ha presentado una solución de inversor de onda sinusoidal pura de Holtek basada en la MCU de control maestro HT45F5V. El HT45F5V se encarga principalmente de accionar el circuito push-pull para convertir una señal de CC de baja tensión en una señal de CC de alta tensión, generar una forma de onda SPWM y una forma de onda fundamental para el control de encendido/apagado del circuito inversor de puente en H y, a continuación, ajustar la forma de onda de salida en tiempo real mediante un circuito de detección de CA.

Puede consultar la Nota de Aplicación original de Holtek en el siguiente enlace, donde además de la explicación teórica del mismo, se pueden encontrar los esquemáticos utilizados, la lista de componentes, así como los códigos de programación utilizados para desarrollar la aplicación.