DCAC pure sine wave inverter

N E C A M S I D DC/AC Pure Sine Wave  Inverter Jim Doucet Dan Eggleston Jeremy Shaw MQP Terms A­B­C 2006­2007 Advisor: Professor Stephen J. Bitar Sponsor: NECAMSID Table of Contents Introduction .1 Problem Statement Background .3 Inverters and Applications .5 Pulse Width Modulation Bubba Oscillator H­Bridge Configuration 12 MOSFET Drivers 14 Circuit Protection and Snubbers 15 Filtering 16 Methodology .17 Sine Wave Generator .18 Carrier Wave Generator 20 Pulse Width Modulation 24 H­Bridge 27 Filter 30 Implementing the Design 32 Difficulties .33 Sine Wave Generator 33 Filter Design .35 Putting the Design to Work 37 Results 38 Recommendations 40 Conclusion 42 References .44 Appendix A: Switching Frequency Charts 46 Appendix B: Circuit Diagram 47 Appendix C: Flowchart 49 Appendix D: PCB Board Diagrams 50 Appendix E: Parts List 52 Index of Figures Commercial 200 Watt Inverter Square, Modified, and Pure Sine Wave Pulse Width Modulation Bubba Oscillator Schematic RC Filter Schematic 10 Signal at P1 11 H­Bridge Configuration using N­Channel MOSFETs 12 N­Channel MOSFET 14 Inductive Load Circuit 15 Inductive Load Circuit with Snubber .15 Inductive Load Circuit with Snubber and Zener Diode 15 Block Diagram 17 Bubba Oscillator Circuit 18 Oscillator Signal at P2 19 Oscillator Signal at P5 19 Triangle Wave Generator 20 Square Wave Output .21 Generated Triangle Wave .22 Square and Triangle Waves 22 PWM Signal 24 Sine Reference, Triangle Wave, and square wave reference 25 Modified triangle wave, overlaid with sine reference 25 PWM signal and reference sine 26 Trilevel PWM signal .26 H­Bridge with MOSFET Drivers 27 Typical Connection for IR2110 MOSFET Driver 28 Frequency plot of losses 30 New Sine Wave Oscillator Circuit Diagram 34 Two Pole Output Filter 35 Project on PCB Board .36 Closed Loop Flow Chart 37 Non­Inverting Amplifier Block 38 Frequency plot of MOSFET losses 41 Frequency plot of inductor losses (resistive) 41 Introduction This report focuses on DC to AC power inverters, which aim to efficiently transform a DC power  source to a high voltage AC source, similar to power that would be available at an electrical wall outlet.  Inverters are used for many applications, as in situations where low voltage DC sources such as batteries,  solar panels or fuel cells must be converted so that devices can run off of AC power.  One example of  such a situation would be converting electrical power from a car battery to run a laptop, TV or cell  phone The method in which the low voltage DC power is inverted, is completed in two steps.  The first  being the conversion of the low voltage DC power to a high voltage DC source, and the second step  being the conversion of the high DC source to an AC waveform using pulse width modulation.  Another  method to complete the desired outcome would be to first convert the low voltage DC power to AC, and  then use a transformer to boost the voltage to 120 volts.  This project focused on the first method  described and specifically the transformation of a high voltage DC source into an AC output Of the different DC­AC inverters on the market today there are essentially two different forms of AC  output generated: modified sine wave, and pure sine wave   A modified sine wave can be seen as more  of a square wave than a sine wave; it passes the high DC voltage for specified amounts of time so that the  average power and rms voltage are the same as if it were a sine wave.  These types of inverters are much  cheaper than pure sine wave inverters and therefore are attractive alternatives Pure sine wave inverters, on the other hand, produce a sine wave output identical to the power  coming out of an electrical outlet.  These devices are able to run more sensitive devices that a modified  sine wave may cause damage to such as: laser printers, laptop computers, power tools, digital clocks and  medical equipment.  This form of AC power also reduces audible noise in devices such as fluorescent  lights and runs inductive loads, like motors, faster and quieter due to the low harmonic distortion ABS Alaskan Problem Statement In the market of power inverters, there are many choices.  They range from the very expensive to  the very inexpensive, with varying degrees of quality, efficiency, and power output capability along the  way.  High quality combined with high efficiency exists, though it is often at a high monetary cost.  For  example,  Samlex America manufactures a 600 W, pure sine wave inverter; the cost is $289   Meanwhile  GoPower manufactures a 600 W inverter with a modified sine wave output (closer to a square wave); this  model only fetches $69   The high end pure sine wave inverters tend to incorporate very expensive, high  power capable digital components.  The modified sine wave units can be very efficient, as there is not  much processing being performed on the output waveform, but this results in a waveform with a high  number of harmonics, which can affect sensitive equipment such as medical monitors.  Many of the very  cheap devices output a square wave, perhaps a slightly modified square wave, with the proper RMS  voltage, and close to the right frequency Our goal is to fill a niche which seems to be lacking in the power inverters market, one for a fairly  efficient, inexpensive inverter with a pure sine wave output.  Utilizing PWM and analog components, the  output will be a clean sinusoid, with very little switching noise, combined with the inexpensive  manufacturing that comes with an analog approach 600 Watt Pure Sine Wave Inverter. Donrowe.com Go Power 600 Watt Modified Wave Inverter Background DC and AC Current In the world today there are currently two forms of electrical transmission, Direct Current (DC) and  Alternating Current (AC), each with its own advantages and disadvantages.  DC power is simply the  application of a steady constant voltage across a circuit resulting in a constant current.  A battery is the  most common source of DC transmission as current flows from one end of a circuit to the other.  Most  digital circuitry today is run off of DC power as it carries the ability to provide either a constant high or  constant low voltage, enabling digital logic to process code executions.  Historically, electricity was first  commercially transmitted by Thomas Edison, and was a DC power line.  However, this electricity was  low voltage, due to the inability to step up DC voltage at the time, and thus it was not capable of  transmitting power over long distances V =IR P=IV = I 2  R     (1) As can be seen in the equations above, power loss can be derived from the electrical current  squared and the resistance of a transmission line.  When the voltage is increased, the current decreases  and concurrently the power loss decreases exponentially; therefore high voltage transmission reduces  power loss.  For this reasoning electricity was generated at power stations and delivered to homes and  businesses through AC power.  Alternating current, unlike DC, oscillates between two voltage values at a  specified frequency, and its ever changing current and voltage makes it easy to step up or down the  voltage.  For high voltage and long distance transmission situations all that is needed to step up or down  the voltage is a transformer.  Developed in 1886 by William Stanley Jr., the transformer made long  distance electrical transmission using AC power possible Charpentier Bellis Electrical transmission has therefore been mainly based upon AC power, supplying most  American homes with a 120 volt AC source.  It should be noted that since 1954 there have been many  high voltage DC transmission systems implemented around the globe with the advent of DC/DC  converters, allowing the easy stepping up and down of DC voltages Like DC power, there exist many devices such as power tools, radios and TV’s that run off of AC  power.  It is therefore crucial that both forms of electricity transmission exist; the world cannot be  powered with one simple form.  It then becomes a vital matter for there to exist easy ways to transform  DC to AC power and vice versa in an efficient manner.  Without this ability people will be restricted to  what electronic devices they use depending on the electricity source available.  Electrical AC/DC  converters and DC/AC inverters allow people this freedom in transferring electrical power between the  two Charpentier Inverters and Applications Power inverters are devices which can convert electrical energy of DC form into that of AC.  They  come in all shapes and sizes, from low power functions such as powering a car radio to that of backing  up a building in case of power outage.  Inverters can come in many different varieties, differing in price,  power, efficiency and purpose.  The purpose of a DC/AC power inverter is typically to take DC power  supplied by a battery, such as a 12 volt car battery, and transform it into a 120 volt AC power source  operating at 60 Hz, emulating the power available at an ordinary household electrical outlet Figure 1: Commercial 200 Watt   Inverter Figure 1 provides a idea of what a small power inverter looks like.  Power inverters are used today  for many tasks like powering appliances in a car such as cell phones, radios and televisions.  They also  come in handy for consumers who own camping vehicles, boats and at construction sites where an  electric grid may not be as accessible to hook into.  Inverters allow the user to  provide AC power in  areas where only batteries can be made available, allowing portability and freeing the user of long power  cords On the market today are two different types of power inverters, modified sine wave and pure sine  wave generators.  These inverters differ in their outputs, providing varying levels of efficiency and  distortion that can affect electronic devices in different ways Walmart.com A modified sine wave is similar to a square wave but instead has a “stepping” look to it that relates  more in shape to a sine wave.  This can be seen in Figure 2, which displays how a modified sine wave  tries to emulate the sine wave itself.  The waveform is easy to produce because it is just the product of  switching between 3 values at set frequencies, thereby leaving out the more complicated circuitry needed  for a pure sine wave.  The modified sine wave inverter provides a cheap and easy solution to powering  devices that need AC power.  It does have some drawbacks as not all devices work properly on a  modified sine wave, products such as computers and medical equipment are not resistant to the distortion  of the signal and must be run off of a pure sine wave power source Figure 2: Square, Modified, and Pure Sine Wave Pure sine wave inverters are able to simulate precisely the AC power that is delivered by a wall  outlet.  Usually sine wave inverters are more expensive then modified sine wave generators due to the  added circuitry.  This cost, however, is made up for in its ability to provide power to all AC electronic  devices, allow inductive loads to run faster and quieter, and reduce the audible and electric noise in audio  equipment, TV’s and fluorescent lights Trace Engineering Donrowe.com Even with the filter problems experienced, the three­level PWM signals were generated correctly  and could be used to power resistive loads before the filter.  Although this is true, we avoided the core  saturation problem by doubling the switching frequency and reducing the inductance values in the filter.  Through proper component selection in another revision, the switching frequency could be returned to  50Khz.  This would involve the use of a higher capacitance/voltage non­polarized capacitor and a smaller  inductor to avoid core saturation.  While components capable of meeting these requirements exist, there  was insufficient time to order them and test their operation in the circuit With the exception of the filter problems mentioned above, the circuit is functioning as designed  and correctly inverts a DC voltage to an AC voltage.  The efficiency and THD of the inverter was not  calculated due to the amount of time spent in design verification and testing, a problem addressed in the  Recommendations section.   39 Recommendations Although all goals in this project were met there are many ways in which this project can be  improved upon.  The project called for producing a 120 volt RMS pure sine wave output, therein lies a  problem however, in the way that this project is designed, differing loads will allow the output of this  project to vary from the 120 volt RMS output.  One way in which this problem could be combated would  be to introduce a closed loop monitoring system.  This system would look at the output of the inverter  and check to ensure that this is the correct output, if this output is not what it should be then this system  has the power to go back and adjust the settings in the control circuit so that the output is the desired 120  volt RMS sine wave.  A simple diagram shown below demonstrates the basic idea of a closed loop  control system Figure 33: Closed Loop Flow Chart The output would be scaled and compared to an ideal output reference, perhaps the sine wave  reference (Bubba Oscillator) in the control circuit (its size and shape do not change), so that the change in  voltage output can be accounted for.  When this change is detected the amplification factor of the non­ 40 inverting amplifier for the sine wave reference (shown in Figure 34) could be adjusted thereby changing  the PWM signal and effectively adjusting the output Figure 34: Non­Inverting Amplifier Block The closed loop control system would allow the system to output the correct voltage and power  no matter what the load.  Sometimes certain loads can cause fluctuations and voltage spikes within the  driving portion of the circuit, specifically around the MOSFETs.  This project intended to take into  account these voltage and current spikes and protect the MOSFETs with the additions of RC snubbers  and zener diodes across each of the MOSFETs.  Information on these types of devices can be found in  the background section of this report under: Circuit Protection and Snubbers.  The team completed more  research and discovered this problem can easily be solved with the introduction of Transient Voltage  Suppression (TVS) diodes These diodes are zener diodes with special characteristics (such as suppression of high transient  voltages) that make them ideal for these types of power applications.  The team even went so far as to  order these diodes, however time was not available to apply them to the circuit.  TVS diodes are special  in that they are able to withstand the quick voltage and current spikes that can occur in the MOSFET  switching as well as being a cheap alternative to RC snubbers.  For this application a TVS diode of rating  170 volts would be used, and to ensure that they would last a 1500 Watt rating was chosen.  This team  recommends that in any future projects that these diodes or any other circuit protection be applied across  each of the 4 MOSFETs used in the H­Bridge to protect them from surges that can occur in basic  switching or by inductive loads 41 Conclusion The goals for this project were to produce a pure sine wave DC­AC inverter that would output at 60  Hz, 120 volts RMS with 250 watt output, would be cheap to manufacture, and fairly efficient in the  method in which it produces it.  Taking a look at these goals and the end result it can be said that they  were met, the circuitry and total cost of all the components used in the construction of the circuit was  around $65 (Appendix E) as compared to the $300­600 pure sine wave inverters on the market now.   This cost however, is when buying parts one at a time, if manufactured this price tag would drop greatly  due to the quantities of parts that would be bought.  The second goal, to produce a 120 volt RMS sine wave with the capability of providing 250 watts of  power was not actually tested, but the team is confident in its ability to produce this waveform.  Using  parts in the driver portion of the circuit that are rated for at least twice the operating parameters, 170 volts  and 2 amps, the team can be assured that these devices will work with the same functionality as they do  at 12 volts.  At 12 volts powering, the H­Bridge output is a clean 60 Hz sine wave that can easily be  controlled in size by the size of the sine reference in the control circuit.  It is in this capability that the  option of a closed loop control circuit could be implemented In looking at how efficient this project is, there is no hard data that can be referred to as not enough  time was available to collect it.  In looking at the components selected and the simulations created before  the actual construction of the inverter, everything was built in mind for the purpose of efficiency and  keeping power losses to a minimum.  One of the major factors in the power savings is the use of a three  level PWM signal instead of a two level, this allows a much lower average power output to produce the  sine wave needed and assisting in the efficiency of the device 42 This project is a stepping stone to a cheaper and efficient pure sine wave inverter, by using the data  collected in this report as well as the schematics and recommendations the product produced here can be  improved upon.  Simple additions such as circuit protection and a closed loop control system could  greatly improve the performance of this project.  The project, in its present condition, does work in the  manner the team wished and has met every goal set at the commencement of this venture 43 References 600 Watt Pure Sine Wave Inverter. Donrowe.com.  Retrieved December 14, 2006, from  http://www.donrowe.com/inverters/puresine_600.html  ABS Alaskan. (2006). DC to AC Power Inverters. Retrieved December 4, 2006, from  http://www.absak.com/basic/inverters.html  Bellis, Mary. William Stanley Jr. Retrieved December 16, 2006, from  http://inventors.about.com/library/inventors/blstanley.htm  Bigelow, Ken. (2006). Generating Triangle Waves. Retrieved November 26, 2006, from  http://www.play­hookey.com/analog/triangle_waveform_generator.html Charpentier, J.P.; Rudervall, Roberto Sharma, Raghuveer. The World Bank. High Voltage Direct  Current Transmission Systems Technical Review Paper. Retrieved December 15, 2006 from  http://www.worldbank.org/html/fpd/em/transmission/technology_abb.pdf  Donrowe.com. (2005). Frequently Asked Inverter Questions. Retrieved November 12, 2006, from  http://www.donrowe.com/inverters/inverter_faq.html#modified  Go Power 600 Watt Modified Wave Inverter. 4Lots.com. Retrieved December 14, 2006, from  http://www.4lots.com/browseproducts/Go­Power­600­Watt­Inverter.html  Hart, D. (1997). Introduction to Power Electronics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall International Rectifier. (2006). AN­978 ­ HV Floating MOS_Gate Driver ICs. Retrieved November 10,  2006, from http://www.irf.com/technical­info/appnotes/an­978.pdf International Rectifier. (2006). IR2110 High and Low Side Driver. Retrieved November 10,2006, from  http://www.irf.com/product­info/datasheets/data/ir2110.pdf Ledwich, G. (1998). Pulse Width Modulation (PWM) Basics. Retrieved December. 1, 2006, from  http://www.powerdesigners.com/InfoWeb/design_center/articles/PWM/pwm.shtm Trace Engineering. (April 9, 1999).  Modified Sinewave and Sinewave Waveforms. Retrieved December  6, 2006 from http://www.wholesalesolar.com/pdf.folder/Download%20folder/sine_modsine.pdf  Walmart.com. Power Inverter Listings. Retrieved December 6, 2006 from  http://www.walmart.com/catalog/product.do?product_id=4965458  44 45 Appendix A: Switching Frequency Charts Figure 35: Frequency plot of MOSFET losses Figure 36: Frequency plot of inductor losses (resistive) 46 Appendix B: Circuit Diagram 47 48 Appendix C: Flowchart 49 Appendix D: PCB Board Diagrams 50 51 Appendix E: Parts List Inductors Quantity Digi­key Catalog Number 4mH High Current Inductor 237­1231­ND $4.78 1.2mH High Current Inductor M9850­ND $12.54 1% Resistors Quantity   10 Ohm   $0.40 2.2M Ohm   $0.10 475k Ohm   $0.10 27.5k Ohm   $0.30 31k Ohm   $0.10 300k Ohm   $0.10 1k Ohm   $0.90 10k Ohm   $0.10 7.5k Ohm   $0.10 510 Ohm   $0.10 1.5k Ohm   $0.10 26.7k Ohm   $0.20 2k Ohm   $0.10 200k Ohm   $0.10 510k Ohm   $0.10         Capacitors Quantity     1uF   $2.40 2uF   $0.80 51nF   $0.80 1nF   $0.40 01nF   $0.40 1nF   $0.40 680pF   $0.40         Diodes Quantity     1n4148 Diode   $0.10 IR150F Diode 8ETu04­ND $4.46         Chips and Semiconductors Quantity     LM348   52 COST   $0.55 TL084   $1.80 MC3302   $0.55 IR 2110 IR2110PBF­ND $11.70 IR549P Mosfet IRFB20N50KPbF­ND $22.56 TOTAL $67.54 53 ... Figure 2: Square, Modified, and Pure Sine Wave Pure sine wave inverters are able to simulate precisely the AC power that is delivered by a wall  outlet.  Usually sine wave inverters are more expensive then modified sine wave generators due to the ... average power and rms voltage are the same as if it were a sine wave.   These types of inverters are much  cheaper than pure sine wave inverters and therefore are attractive alternatives Pure sine wave inverters, on the other hand, produce a sine wave output identical to the power ... example,  Samlex America manufactures a 600 W, pure sine wave inverter;  the cost is $289   Meanwhile  GoPower manufactures a 600 W inverter with a modified sine wave output (closer to a square wave) ; this  model only fetches $69