Полевые транзисторы для сварочных инверторов
Обновлено: 20.09.2024
ДОБАВЛЕНО 15/10/2013 20:48
| Сергей92 писал: |
| "всё пришло в норму" - это значит вопрос ради интереса? |
пока аппарат на столе стоит и режим ХХ, т.е. статический режим все в норме, а чего ожидать от динамического режима?
ДОБАВЛЕНО 15/10/2013 21:17
Они же по диагонали работают.
ДОБАВЛЕНО 15/10/2013 23:06
| sofrina писал: |
| пока аппарат на столе стоит и режим ХХ, т.е. статический режим все в норме, а чего ожидать от динамического режима? |
В статическом не катит. Тестировать надо ОБЯЗАТЕЛЬНО в режиме сварки, и желательно на максимальных токах. Иначе может быть возврат.
| Nik_Al писал: |
| В статическом не катит. Тестировать надо ОБЯЗАТЕЛЬНО в режиме сварки, и желательно на максимальных токах. Иначе может быть возврат. |
Меняй все 8,уже проверено,в течении 2недель,повтор
С полевиками ещё коварней выглядит. Думаю stas-mas прав- нужно менять комплектом. Мало того одного производителя и из одной партии.
KRAB, про какой стед идет речь? Если только в любой обратноходовый однотактный преобразователь поставить на место ключа панельку и осликом проследить чем они отличаются
ДОБАВЛЕНО Октябрь 16 2013
опередил
| sofrina писал: |
| II3II а при том что эти 20N50 относительно недешевые -ремонт скорее всего будет нерентабельным |
Это гдеж вы такие золотые т-р берёте
А сопственно говоря в каком корпусе?
и если "но то шо он похо закрывается со временем,а тем более "чиста китаёзные",и в таких ужасных режимах,как в данному девайсе при запасе прочности в10%,это факт"- что именно изменилось в свойствах полевика чтобы можно диагностировать что в мосте он уже работать не будет и обязательно пробьёт "сквозняком"? Если емкость З-И меняется, то на новом 40N50 прибор показал 10 нФ в широком диапазоне измеряемых частот 100 Гц,120 гц,1 кГц,10 кГц и 100 кГц , а вот те что были подозрительные уже не проверить и не сравнить
И вообще ,что это за транзисторы 20N50(полное название),даташит на них у тебя есть?
ДОБАВЛЕНО 16/10/2013 22:51
А 40N50 это какие?
а у вторых 380 nC
Ну и емкости входные соответственно 1800 pF и 8110pF
Так что ,если уж драйвера вторые твои без проблем "раскачивают" ,то для первых они вообще песТня.
ДОБАВЛЕНО 16/10/2013 23:55
У тебя ,например на холостом ходу, выбросы на стоках какой амплитуды?
со стока.может RC цепочка неисправна.
насчет RC-цепочки кондер 471*2 kV проверен и на всякий случай заменен на заведомо исправный, резистор 47 Ом тоже целый
насчет драйверов или емкости транзисторов, выше был пост pabel-а судя по даташитам затворные заряды у транзисторов разные
бля, смайлика подобрать не могу
Ток затвора примерно на 90% можна расчитать по формуле /> где Qg-Total Gate Charge
для IXFH20N50P3 при I D=46A VDS=400V VGS=10V
а мы имеем VGS где то 15-18V,поэтому до того шо получится ниже,можим смело добавлять половину результата
Т-время за которое нужно закрыть
подставляем значения и имеем
36nC/150ns=.0.24A.
380nC/150ns=2.5A
или если хотим ну совсем кошерно типа по доке то имеем
36nC/43ns=0.83A
380nC/50ns=7.6A
картина маслом
Но есть ещё один очень хороший параметр у половиков
Single Pulse Avalanche Energy который у IRFPS40N50LPBF аж 920mJ
а у IXFH20N50P3 всего 300mJ,
чесно говоря я ваще удивляюсь как они там работают
ДОБАВЛЕНО Октябрь 17 2013
| sofrina писал: |
| драйвера то живые (обмокак+2 резика,стабилитронн 5V , пара 4148 и пара мелких кондеров), |
Я так понял что управление идет через транс?
Но транс то тоже мост качает!!
sofrina, то шо мы видим на первой картинке,это так называемый эффект миллера,чесно скажу я так толком ещё и не разобрался как с ним бороться,хотя часто сталкиваюсь,борюсь путём увеличения тока закрытия
IXFH20N50P3 нельзя ставить.300мОм*(15 ампер)^2 почти 100Вт.и это не считая потерь при переключении.но кроме этого все же еще что то
неисправно.если на затворе такое то что творится на стоках.
быстрое переключение.может все таки неисправность в драйвере.при отсутствии силового питания емкость З-С не влияет через нее нет тока.при переключениях
силовых транзисторов ток через нее весьма велик так как напряжение большое.
видно номиналы.емкости то ли 22нФ то ли 220нФ.верхняя выглядит предпочтительней.вч колебания в емкости диода-L обмотки быстрее затухают(резистор 4.7Ом).хотя для таких токов затвора когда примешивается еще ток через емкость З-С что то резис-ры велики.
надо еще даташит посмотреть.как бы затвор не пробило.и диоды
1N4148 в этой схеме выглядят нелепо.надо хоть на 2 ампера.
на верхней схеме стоят диоды Шоттки 1N5819 , для схемы будет критично если поставить Fast диоды?
про RC цепочку в высоковольтной части схемы все таки не ясно какая величина емкости.
посмотрел внимательней даташит.резистор 0.9Ом встроен в затвор транзистора.поэтому внешний не нужен.
те выбросы, что на нижней осциллограме сняты с драйверов нижних ключей, для пробы поменял местами с верхнего ключа пару IXFH20N50P3 на место нижнего ключа, а IRFPS40N50LPBF соответственно обратно, итого получилось что на месте верхних ключей стоят по одному IRFPS40N50LPBF, на месте нижних ключей по паре IXFH20N50P3 и самое интересное- искаженная осциллограма так и осталось искаженной, но транзисторы IXFH20N50P3 были холодными после пары сженных эдлектродов 2,8 мм, в отличии от IRFPS40N50LPBF, которые довольно сильно разогрелись и скорее всего не выдержат ПВ= 40 %
дополнительно появились еще вопросы- или транзисторы перемаркированы и сопротивление открытого канала больше заявленного ,либо корпус с алюминиевой подложкой IRFPS40N50LPBF более критичен как отводится тепло на радиатор
Транзисторы для сварочных инверторов
За последние 100 лет технология сварки претерпела значительные изменения. Классические сварочные аппараты были усовершенствованы, а в продаже появились совершенно новые устройства. Наибольший вклад в развитие домашней и любительской сварки внесло изобретение инверторного сварочного аппарата. Его электронная «начинка» позволяет внедрить функции, которые недоступны классическому трансформатору или выпрямителю.
А если в сварочном аппарате применяется электроника, значит, используются и транзисторы. В этой статье мы подробно расскажем, что такое транзистор, какие транзисторы используются в сварочных инверторах и чем отличаются транзисторы IGBT в сварочном аппарате от транзисторов MOSFET.
Общая информация
Транзисторы — что это такое? Наверняка каждый, кто хоть раз сталкивался с ремонтом или банальной разборкой радиоэлектроники, слышал этот термин. Говоря простыми словами, транзистор — это электронная деталь с выводами, изготовленная из полупроводникового материала. Основная функция транзистора — это усиление или генерирование электрических сигналов, поступающих извне. Также с помощью транзисторов выполняется коммутация.
На данный момент транзисторы есть в любом электронном приборе и являются один из важнейших компонентов. В середине прошлого века сразу несколько ученых получили Нобелевскую премию за изобретение транзистора. И с тех пор это небольшое приспособление кардинально изменило мир электроники.
Транзисторы очень маленькие и компактные. Они экономичны, их производство стоит недорого. Несмотря на свой скромный размер, транзистор устойчив к механическому воздействию и долговечен. Также транзисторы способны исправно работать при низком напряжении и при высоких значениях тока. Именно благодаря этим достоинствам к концу 20-го века транзисторы стали неотъемлемой частью каждого электронного прибора. В том числе, у инверторных сварочных аппаратов.
С помощью транзисторов удалось собрать компактную схему и внедрить ее в инвертор. Таким образом, существенно снизились размеры и вес сварочного аппарата. На данный момент производители предлагают инверторы весом до 5 кг, которые можно положить в рюкзак и взять с собой на выездные работы. Также такие аппараты незаменимы при сварке на высоте или в труднодоступных местах.
В сравнении с обычным трансформатором, который использовался раньше для сварки, инверторы намного проще в освоении. А наличие дополнительных функций (например, функции горячего старта или антизалипания) помогает новичкам как можно скорее приступить к работе. И все это заслуга транзисторов.
Транзисторы в инверторах
Транзистор — это один из главных компонентов современного сварочного инвертора. Без него инвертор в принципе не будет так называться. И, поскольку сварочные инверторы уже прочно вошли в нашу жизнь, то нелишним будет узнать немного больше об их электронной «начинке». Эта информация будет полезна не столько мастерам по ремонту сварочных аппаратов, сколько самим сварщикам. Для лучшего понимая сути используемого вами оборудования.
Итак, на данный момент чаще всего в сварочных инверторах применяются транзисторы двух типов: IGBT и MOSFET. Именно благодаря им удается добиться достойного качества работ, внедрения новых функций и уменьшению габаритов аппарата.
Подробнее про IGBT
Мы решили заострить ваше внимание на IGBT транзисторах, поскольку они считаются самыми технологичными. IGBT представляет собой стандартный биполярный транзистор с изолированным затвором. Усиливает и генерирует электрические колебания. Часто применяется в инверторе. От полевого транзистора отличается тем, что генерирует силовой канал, а не управляет им. Представляет собой 2 транзистора на подложке.
Именно благодаря IGBT транзисторам удалось развить производство современных сварочных инверторов. Поскольку именно данный тип транзисторов способен работать при высоком напряжении. Очень скоро производителям стало ясно, что применение IGBT транзисторов способно вывести производство инверторов на новый уровень. Удалось значительно уменьшить размеры аппаратов и увеличить их производительность. Порой стандартный IGBT транзистор способен заменить даже тиристор.
Иногда в IGBT инверторы внедряют специальные микросхемы, которые усиливают управляющий электрический сигнал и ускоряют зарядку затворов. Это необходимо для исправного функционирования мощных переключателей.
IGBT или MOSFET?
Выше мы уже упомянули, что помимо транзисторов типа IGBT существуют еще и транзисторы MOSFET. И многие сварщики любят спорить на форумах, какие транзисторы лучше, а какие хуже. Что мы думаем по этому поводу? Сейчас узнаете.
IGBT — это биполярные транзисторы. А MOSFET — полевые. И отличий у них больше, чем многим кажется на первый взгляд. Основное отличие — максимальная мощность, которую способен выдержать транзистор. У IGBT этот показатель выше, поэтому стоят они дороже, чем MOSFET. А это значит, что управляющая схема тоже стоит дороже.
На практике, сварщик практически не заметит разницы при работе с инверторам на IGBT или MOSFET. В характеристиках разница есть, но на практике она ощущается слабо. К тому же, на IGBt инверторы сложнее найти запчасти и вообще грамотного мастера по ремонту. И расходники стоят дороже.
Если вы используете недорогой инвертор для домашней сварки, то разницу между IGBT и MOSFET вы точно не заметите. Все преимущества IGBT раскрываются только в профессиональном оборудовании, предназначенном для высоковольтного подключения. В таком случае больший диапазон мощностей действительно играет важную роль и стоит предпочесть IGBT инвертор. В остальных же случаях не важно, какие транзисторы установлены. Вы, как любитель, разницу не почувствуете.
Словом, если вы новичок, то приобретайте инвертор на любых транзисторах. Инвертор на MOSFET будет стоить дешевле, вы сможете проще и быстрее его отремонтировать. А если вы выбираете инвертор для профессиональной сварки, то лучше выбрать аппарат на IGBT транзисторах. Они позволят использовать больше мощности. Но и их обслуживание обойдется дороже.
Вместо заключения
Не важно, какие именно силовые транзисторы для сварочных инверторов вы выберите. В любом случае, современный инвертор предоставит вам множество удобных плюсов. Вы сможете брать его с собой, поскольку вес и размеры незначительны. Вы сможете выполнять мелкий ремонт, даже если варите впервые, поскольку дополнительные функции упростят вашу работу. А благодаря технологичным транзисторам электронная схема будет работать еще стабильнее и дольше.
Да, инверторные аппараты куда сложнее по своему строению как раз за счет применения электроники. Вы не сможете починить инвертор «на коленке», как это можно сделать с трансформатором. Но преимуществ слишком много, чтобы отказываться от нововведений. А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь своим мнением в комментариях ниже. Желаем удачи в работе!
Проверка боем: применение IGBT от ST в составе инверторов сварочных аппаратов MMA
STMicroelectronics выпускает несколько серий IGBT-транзисторов и мощных быстродействующих диодов, идеально подходящих для создания инверторов сварочных аппаратов. Сверхсовременные IGBT серий V, H, HB, M и диоды серии W отличаются малыми потерями на переключения и низким напряжением насыщения. Эти замечательные качества были подтверждены на практике при испытании MMA-инверторов мощностью 4 и 6 кВт.
Рынок сварочного оборудования представляет собой быстроразвивающуюся отрасль силовой электроники. На сегодня существует множество типов сварочных аппаратов:
- с различными технологиями – ручная дуговая сварка плавящимся электродом (manual metal arc, ММА), ручная сварка в среде защитных газов (tungsten inert gas, TIG), полуавтоматическая сварка в среде инертных (metal inertgas, MIG) или активных газов (metal active gas, MAG);
- с различными источниками тока – трансформаторные, инверторные;
- с постоянным выходным током (например, для сварки стали) или с переменным током (например, для сварки алюминия).
Наиболее распространенным типом сварочной технологии является MMA. Она отличается простотой и применяется как в профессиональных, так и в бытовых аппаратах. Структура такого сварочного аппарата достаточно проста и состоит из источника тока, выходного выпрямителя (опционально) и системы управления (рисунок 1).
Рис. 1. Упрощенная структурная схема сварочного аппарата
Источник тока может быть реализован на базе мощного сетевого трансформатора (трансформаторный аппарат), либо на базе инвертора (инверторный аппарат). Главными достоинствами трансформаторных аппаратов являются простота и максимальная надежность, а недостатками – большие габариты, грубое регулирование и низкое качество сварки. Инверторные аппараты, использующие современные полупроводниковые силовые ключи, не имеют этих недостатков.
Основными компонентами мощных инверторов являются IGBT-транзисторы и быстродействующие диоды. Компания STMicroelectronics выпускает силовые электронные компоненты, идеально подходящие для построения сварочных аппаратов [1]:
- IGBT серии V со сверхнизкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 600 В на частотах до 120 кГц;
- IGBT серии HB с малым напряжением насыщения и низкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 650 В на частотах до 50 кГц;
- IGBT серии H с низкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 1200 В на частотах до 35 кГц;
- IGBT серии M с малым напряжением насыщения, работающие с напряжениями до 1200 В на частотах до 20 кГц;
- диоды серии W с малым прямым падением напряжения и минимальным временем восстановления.
Требования к IGBT в составе сварочных инверторов
Принцип работы инверторного сварочного аппарата достаточно прост (рисунок 2). Питающее напряжение сети выпрямляется и поступает на вход инвертора. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, которое передается в нагрузку через высокочастотный силовой трансформатор. Работу инвертора контролирует система управления (СУ). Увеличивая и уменьшая длительности управляющих импульсов, можно изменять передаваемую в нагрузку мощность. Кроме основных блоков, схема содержит и вспомогательные: корректор коэффициента мощности (ККМ) и выходной выпрямитель.
Рис. 2. Структура инверторного сварочного аппарата
Основным блоком инверторного сварочного аппарата является непосредственно инвертор, который может быть реализован по любой из известных топологий. Среди наиболее часто используемых схем можно отметить push-pull, мостовую, полумостовую, полумостовую несимметричную (косой полумост).
Несмотря на многообразие топологий, требования к IGBT оказываются примерно одинаковыми:
- Высокое рабочее напряжение. Для бытовой сети рейтинг напряжения транзисторов должен быть 600 В и выше.
- Большие коммутационные токи. Средние значения достигают десятков ампер, пиковые – сотен ампер.
- Высокая частота переключений. Увеличение частоты позволяет снизить габариты трансформатора и индуктивности выходного фильтра.
- Малое значение энергии на включение (Eвкл) и выключение (Eвыкл) для минимизации потерь на переключения.
- Низкое значение напряжения насыщения Uкэ нас. для минимизации кондуктивных потерь.
- Стойкость к жесткому режиму коммутации. Инвертор работает с индуктивной нагрузкой.
- Стойкость к короткому замыканию. Критично для мостовой и полумостовой схем.
К вышесказанному стоит добавить, что, во-первых, при выборе транзисторов для инвертора следует обращать внимание не только на рейтинги токов и напряжений, но и на параметры, определяющие мощность потерь. Во-вторых, требования к низкому напряжению насыщения и высокой рабочей частоте оказываются противоречивыми.
IGBT производства STMicroelectronics сочетают в себе уникальные характеристики: способны коммутировать большую мощность, отличаются высоким быстродействием, при этом – сохраняют низкое значение Uкэ нас. Это стало возможным благодаря использованию новейших технологий.
Мощности потерь и особенности технологии производства IGBT от ST
Основный причиной ограничения мощности инвертора является перегрев IGBT. Он является следствием потерь мощности, рассеиваемой в виде тепла.
Как известно, суммарные потери мощности в IGBT (Pd) складываются из двух составляющих: потери проводимости (Pконд, кондуктивные потери) и потери на переключения (Pперекл) (таблица 1).
Таблица 1. Потери мощности в IGBT
Кондуктивные потери определяются значением напряжения насыщения Uкэ нас. По этой причине его стараются максимально снизить.
Потери на переключения объединяют энергию, затрачиваемую на включение (Eвкл) и на выключение (Eвыкл).
Энергия на включение Евкл в большей степени определяется встроенным антипараллельным диодом. Для оптимизации этого параметра можно использовать внешний диод с лучшими характеристиками (меньшее время восстановления) или оптимизировать режим переключения (переключения при нулевых токах или напряжениях).
Энергия на выключение Евыкл определяется эффективностью рекомбинации неосновных носителей в структуре IGBT. Затягивание процесса рекомбинации приводит к появлению токового хвоста (рисунок 3), [2].
Рис. 3. Потери на выключение для планарного IGBT
Во время включенного состояния через IGBT протекает ток, и в его слое n- происходит накопление неосновных носителей (дырок из слоя p+). После выключения транзистора число этих накопленных носителей сокращается достаточно медленно, главным образом – за счет неэффективной рекомбинации в низколегированном слое n-. В результате образуется токовый «хвост», приводящий к дополнительным потерям мощности.
Один из способов повышения быстродействия заключается в уменьшении степени легирования области p+. Это приводит к уменьшению числа носителей, а значит – и к ускоренному процессу рекомбинации. Однако уменьшение числа носителей, очевидно, приведет и к возрастанию напряжения насыщения.
Рис. 4. Развитие технологий IGBT производства STMicroelectronics
Таким образом, увеличение быстродействия при сохранении напряжения насыщения возможно только благодаря качественным улучшениям и применению новых технологий. Например, для ускорения процесса рекомбинации между слоями p+ и n- создается слой n+ (рисунок 4а). Быстродействие возрастает, но остается достаточно низким.
Одним из революционных решений, позволившим качественно улучшить характеристики IGBT, стало применение технологии TGFS (Trench Gate Field Stop), (рисунок 4б). Суть TGFS состоит в изменении структуры затвора, который выполняется в изолированной канавке. Проводящий канал становится вертикальным, что уменьшает эффективную толщину слоя n-. Это, с одной стороны, приводит к снижению напряжения насыщения, а с другой – к уменьшению числа накапливаемых носителей.
Наиболее современное поколение IGBT производства STMicroelectronics серии V включает все лучшие технологические решения [2]: TGFS, снижение толщины исходной пластины p-, уменьшение толщин диффузных и эпитаксиальных слоев, увеличение глубины внедрения затвора (рисунок 4в). Это позволяет уменьшить энергию, затрачиваемую на выключение, при сохранении значения напряжения насыщения.
STMicroelectronics выпускает несколько серий IGBT с различными характеристиками. Богатый выбор позволяет найти оптимальные транзисторы с учетом требований к конкретному сварочному аппарату и используемой топологии.
Обзор серий IGBT от ST
Линейка IGBT производства STMicroelectronics содержит четыре серии, представители которых наиболее подходят для сварочных инверторов. Это серии V, HB, H, M. Все эти транзисторы отвечают перечисленным выше требованиям и имеют отличные характеристики [1, 4]:
- высокие рабочие напряжения – 600…1200 В;
- высокие показатели коммутируемых токов – до 80 А;
- рекордные значения энергии выключения – от 0,2 мДж;
- быстродействие – до 120 кГц;
- доступность версий со встроенным быстродействующим антипараллельным диодом;
- доступность различных корпусных исполнений (TO-247, D2PAK, TO-220 и другие);
- стойкость к импульсам короткого замыкания.
Серия M предназначена для коммутации напряжений до 1200 В и токов до 40 А (таблица 2). Отличительной особенностью серии является низкое напряжение насыщения (не более 2,2 В) и малая энергия на переключения (от 1,2 мДж). Это делает данные транзисторы оптимальным выбором для инверторов, работающих на частотах до 20 кГц.
Таблица 2. Характеристики IGBT серии M
Серия H способна коммутировать напряжения до 1200 В и токи до 40 А (таблица 3). По сравнению с транзисторами серии M, IGBT серии H имеют меньшее значение энергии переключения (от 0,85 мДж) и большее напряжение насыщения (до 2,4 В). По этой причине они подходят для более высокочастотных приложений и способны работать на частотах до 100 кГц.
Таблица 3. Характеристики IGBT серии H
Серия HB не является основной для построения сварочных инверторов, однако ее характеристики также на высоте (таблица 4). Напряжение насыщения для этих IGBT являются рекордными среди всех семейств и начинаются от 1,65 В. Энергия переключения, во многих случаях не превышает 0,6 мДж. Рабочая частота для представителей семейства достигает 50 кГц.
Таблица 4. Характеристики IGBT серии HB
Серия V, как было сказано выше, является флагманом в номенклатуре STMicroelectronics. Благодаря новейшим технологиям, у данных IGBT практически полностью отсутствует токовый «хвост», и энергия на выключение оказывается минимальной – от 0,2 мДж (таблица 5), при этом напряжение насыщения не превышает 2,15 В. Все это позволяет использовать транзисторы серии V в быстродействующих инверторах с максимальной частотой переключения до 120 кГц.
Таблица 5. Характеристики IGBT серии V
Для наименования IGBT представленных серий используется код, состоящий из восьми позиций (таблица 6). Он содержит тип компонента, обозначение корпуса, название семейства, напряжение пробоя, наличие диода и его характеристики. Стоит отметить, что версии транзисторов с диодом с низким падением напряжения (индекс DL) не подходят для работы в составе сварочных инверторов.
Таблица 6. Именование IGBT производства STMicroelectronics
- (пусто) – нет
- D – быстродействующий
- DL – с низким падением
Код напряжения пробоя:
- V – Very High Speed до 120 кГц
- H…B – High Speed до 50 кГц
- H – High Speed до 35 кГц
- M – Low Loss до 20 кГц
Максимальный ток при 100°С
| B – D2PAK | W – TO-247 |
| F – TO-220FP | WA – TO-247 Long Led |
| FW – TO3FP | WT – TO-3P |
| P – TO-220 | Y – Max247 |
Большинство IGBT представленных семейств выпускается в двух вариантах: со встроенным быстродействующим диодом и без него. Характеристики этих диодов достаточно хороши. Однако в случае необходимости требуется применять внешние диоды, например, в схеме асимметричного моста. При этом следует обратить внимание на мощные быстродействующие диоды серии W производства STMicroelectronics.
Обзор мощных диодов серии W от ST
Мощные быстродействующие диоды серии W разработаны специально для работы в составе мощных импульсных преобразователей с жесткими условиями переключений. Для этого их характеристики соответствующим образом оптимизированы (таблица 7):
- для снижения статической мощности прямое падение напряжения уменьшено (от 0,92 В);
- обратное напряжение достигает 600 В;
- средний ток достигает 200 А;
- время восстановления и обратный ток существенно снижены для сокращения энергии на переключение;
- большинство диодов выпускаются в сдвоенном исполнении.
Таблица 7. Мощные быстродействующие диоды производства STMicroelectronics
Результаты практического применения IGBT от ST в MMA-инверторах
Для подтверждения преимуществ транзисторов IGBT производства STMicroelectronics были построены и испытаны сварочные инверторы: MMA160 (входная мощность 3,8 кВт) и MMA200 (входная мощность 6 кВт) [3].
Условия проведения испытаний были одинаковыми [3]:
- в обоих случаях использовалась асимметричная полумостовая схема инвертора со спаренными параллельными IGBT (рисунки 5 и 6);
- в качестве питания использовалось сетевое напряжение 220 В, 50 Гц;
- температура окружающего воздуха составляла 25°C;
- в качестве нагрузки применялись керамические резисторы общим сопротивлением 145 мОм с активным охлаждением;
- максимальный коэффициент заполнения не превышал 50% для гарантированного исключения возможности насыщения сердечника выходного ВЧ-трансформатора;
- защитное отключение производилось при достижении транзисторами температуры 105°С.
Инвертор MMA160 был построен на базе транзисторов STGW40V60DF (рисунок 5). Частота переключений составляла 63 кГц.
Рис. 5. Схема инвертора MMA160
В ходе испытаний производились замеры входной мощности, входного тока и температуры корпуса транзисторов. При увеличении входной мощности от 2 кВт до максимальной мощности в 3,8 кВт происходил разогрев транзисторов и рост энергии на выключение (таблица 8).
Таблица 8. Результаты испытаний инвертора MMA 160
Инвертор показал устойчивую работу во всем диапазоне мощностей. Отключение при максимальной мощности произошло только по истечении 10 минут 17 секунд, после срабатывания защиты от перегрева (105°С). Максимальное значение энергии на выключение IGBT при этом увеличивалось с 311 мДж до 550 мДж, что является хорошим результатом и соответствует заявленному в документации значению (таблица 5).
Инвертор MMA200 был построен с использованием спаренных IGBT STGW60H65DFB (рисунок 6). Рабочая частота составила 63 кГц. Для дополнительной защиты транзисторов были применены снабберные RC-цепочки.
Рис. 6. Схема инвертора MMA200
В ходе испытаний входная мощность MMA200 увеличивалась с 2,6 кВт до 5,8 кВт. Инвертор продемонстрировал устойчивую работу во всех режимах и выключился после срабатывания температурной защиты спустя 8 минут 15 секунд после выхода на мощность 5,8 кВт. При увеличении входных токов происходил рост температуры транзисторов и увеличение энергии на выключение (таблица 9). Диапазон изменений энергии на выключение составил 586…947 мДж, что соответствует заявленному значению.
Таблица 9. Результаты испытаний инвертора MMA200
Проведенные испытания подтвердили отличные характеристики, заявленные производителем. Таким образом, IGBT производства компании STMicroelectronics идеально подходят для построения инверторов сварочных аппаратов.
Заключение
В номенклатуре компании STMicroelectronics есть четыре серии IGBT, предназначенных для работы в жестких условиях переключения в составе сварочных инверторов. Данные транзисторы отвечают всем необходимым для этого требованиям. Их основными достоинствами являются:
Кроме IGBT, STMicroelectronics предлагает разработчикам мощные быстродействующие диоды серии W, которые отличаются малым временем восстановления и низким прямым падением напряжения.
Отличные характеристики силовых компонентов производства ST подтверждены практикой. Для этого инженерами компании были созданы и испытаны сварочные инверторы MMA160 и MMA200, построенные на основе транзисторов STGW40V60DF и STGW60H65DFB.
Подбор транзисторов для сварочных инверторов - какие бывают, их отличия и характеристики
Технический прогресс за последние столетия не смог пройти мимо сварочного производства. На смену громоздкому и не удобному агрегату пришел современный инверторный сварочный аппарат.
Внедрение электронных систем в устройство, позволило максимально облегчить работу в сварочном деле. Теперь стало намного легче использовать сварку в быту.
Наличие электроники позволило включить в аппарат те функции, которые невозможно применить для старых моделей трансформаторах. Конечно, факт использования электронных элементов указывает на факт использование транзисторов.
Транзистор - что это и какие бывают
В этой статье мы постараемся максимально развернуто ответить на все эти вопросы. Подробнее опишем их отличия, какому лучше отдать своё предпочтение.
В каждой электронной конструкции используется транзистор. Он может быть и детской игрушке, и в системе наземного воздушного наблюдения. Это чудо техники используется при производстве вычислительной техники, аудио- и видео аппаратуры.
То есть к их помощи прибегать в построении любой микросхемы. Роль транзистора в инверторе - это усиление и управления электрическим током. Изобретение транзистора в 1948 году спровоцировало мощный толчок в эволюции науки и техники.
Конечно, это повлекло радикальные изменения в развитии электроники.
Транзистор играет большую роль в комплектации малогабаритных сварочных аппаратов. Важным достоинством оных считается способность безупречно работать при низком напряжении, а также при высоком значении тока.
Он используется для генерирования, усиления, коммутации и преобразования электрических сигналов. Современный инвертор имеет вес не более 5 кг.
И это благодаря внедрению компактной схемы, которую собрали при помощи транзисторов. Это повлекло уменьшение габаритов всего сварочного аппарата.
Прибор с такими размерами, очень сильно упрощает сварочную работу в малодоступных местах. Если сравнивать привычный для нас сварочный аппарат, которым пользовались раньше и инвертор, то можно с уверенностью сказать, что современный прибор намного проще в изучении и применении.
Огромная важность просматривается в количестве дополнительных функций, которые были внедрены в устройство. Именно этот факт позволяет начинающему сварщику без колебаний приступить к работе без риска.
Транзистор - это полупроводниковый прибор, главный составляющий современного сварочного инвертора.
В связи с тем, что инвертор надёжно обустроился в нашей повседневной жизни, будет полезно получить максимум информации о его электронном наполнении.
Эти знания понадобятся для понимания начинки сварочного оборудования которое вы используете. Бесспорно, большую роль играет наличие многих дополнительных функций. Это позволяет менее сварщику без колебаний приступить к работе.
И так как инвертор надёжно обустроился в нашей повседневной жизни, будет полезно получить побольше информации о его электронном наполнении. Эти знания понадобятся для понимания функций оборудования которое вы используете.
В настоящий время самыми есть два вида транзисторов, которые используются в сварочных инверторах: IGBT и MOSFET. Именно они сыграли роль в уменьшении габаритов, а так также способствовали расширению дополнительных возможностей аппарата.
Биполярный транзистор IGBT
Предлагаю обратить внимание на биполярный транзистор с изолированным затвором - это IGBT. Фактически это два транзистора на одной подложке. IGBT позволяет получить высокую силу тока на выходе, при минимальном нагреве.
Он способен усиливать и генерировать электрические колебания. Модели IGBT стали применять в сварочных инверторах, где была потребность в работе при самых высоких напряжениях.
В результате стало понятно, что производство сварочных аппаратов возможно вывести на более высокий уровень исключительно с помощью IGBT.
Очень часто для бесперебойной работы мощных выключателей в транзистор IGBT вживляют специальные микросхемы.
Какой лучше?
Чуть выше мы упоминали ещё об одном транзисторе MOSFET. Очень часто между специалистов сварочного дела возникает спор какой транзистор лучше. Как мы можем прокомментировать данную ситуацию?
Между этими двумя видами существует достаточно много различий. Правда с первого взгляда их не просто определить. MOSFET,- это полевой транзистор. IGBT - это биполярный.
Самое главное - это предельная мощность, которую должен выдерживать транзистор. У MOSFET эти показатели ниже, а у IGBT мощность выше. Естественно этот фактор влияет и на разницу стоимости прибора.
Интересно что в характеристиках мы видим много конкретных различий, но в действительности на практике такой разницы не ощущается. Использование транспорта MOSFET, а не IGBT на процесс работы никак не влияет.
Кроме того, IGBT инвертор будет намного дороже в обслуживании. В случае поломки для этого аппарата очень не просто найти хорошего мастера и расходники. Эти факторы ощутимо влияют на стоимость IGBT.
Поэтому для бытовой сварки рекомендуем хороший и бюджетный в обслуживании инвертор MOSFET.
Вся ценность и превосходство IGBT появляются в аппарате, который предназначен для высоковольтных подключений. Но это уже профессиональные сварочные работы. И вот здесь огромная мощность играет первую роль.
В других случаях, для любительской сварки разницы между MOSFET и IGBT нет никакой. Вид транзистора не играет никакой роли для новичков. Но вот для квалифицированного професионала все -таки IGBT инвертор.
Хоть они дороже в обслуживании, но зато позволяют использовать больше мощности.
Подведем итог
В завершение нашей статьи хочется порекомендовать новичка в сварочном деле не волновать о выборе транзисторов. MOSFET сравнительно дешевле в ремонте и для вас будет привести его в рабочее состояние намного легче.
А если вы мастер сварочного дела, то конечно для работы вам будет нужно IGBT инвертор. Разумеется, их обслуживание будет дороже, но зато есть возможность использовать больше мощности.
В любом случае, какой бы прибор вы не выберите, современный и компактный инвертор будет помогать вам при выполнении любых сварочных работ.
Дополнительные функции помогут даже абсолютному новичку почувствовать себя мастером сварочных работ. Конечно, инверторный сварочный прибор намного сложнее чем классический трансформатор.
Но вот только вряд ли вы захотите отказаться от многочисленных функций в современном аппарате, от их стабильности и надёжности. А вы как считаете? Интересно ваше мнение. Делитесь ниже в комментариях. Удачи вам в вашем деле.
Какие транзисторы используются в сварочных инверторах
- Транзистор — что это и какие бывают
- Биполярный транзистор IGBT
- Какой лучше?
- Подведем итог
Транзистор — что это и какие бывают
То есть к их помощи прибегать в построении любой микросхемы. Роль транзистора в инверторе — это усиление и управления электрическим током. Изобретение транзистора в 1948 году спровоцировало мощный толчок в эволюции науки и техники.
Транзистор играет большую роль в комплектации малогабаритных сварочных аппаратов. Важным достоинством оных считается способность безупречно работать при низком напряжении, а также при высоком значении тока.
Транзистор — это полупроводниковый прибор, главный составляющий современного сварочного инвертора.
Выбор силовых транзисторов
Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!
Силовые транзисторы — это сердце сварочного инвертора! От правильного выбора силовых транзисторов зависит надёжность работы всего аппарата.
Технический прогресс не стоит на месте, на рынке появляется множество новых полупроводниковых приборов, и разобраться в этом разнообразии довольно сложно.
Первое, с чего нужно начинать, это приблизительное определение мощности будущего преобразователя.
Если мы хотим получить в дуге 200 ампер при напряжении 24 вольта, то перемножив эти величины мы получим полезную мощность которую наш инвертор обязан отдать и при этом не сгореть. 24 вольта это среднее напряжение горения электрической дуги длинной 6 — 7мм, в действительности длинна дуги всё время меняется, и соответственно меняется напряжение на ней, меняется также и ток. Но для нашего расчёта это не очень важно! Так вот перемножив эти величины получаем 4800 Вт, ориентировочно прикинув КПД преобразователя 85%, можно получить мощность которую должны перекачивать через себя транзисторы, это примерно 5647 Вт.
Зная общую мощность можно подсчитать ток, который должны будут коммутировать эти транзисторы. Если мы делаем аппарат для работы от сети 220 вольт, то просто разделив общую мощность на напряжение сети, можно получить ток, который аппарат будет потреблять от сети. Это приблизительно 25 ампер! С величиной тока вроде разобрались, но это не должен быть максимальный ток выбранных нами транзисторов! Сейчас в справочных данных многих фирм приводится два параметра максимального тока, первый при 20 градусах Цельсия, а второй при 100! Так вот при больших токах протекающих через транзистор, на нём выделяется тепло, но скорость его отвода радиатором не достаточно высока и кристалл может нагреться до критической температуры, а чем сильнее он будет нагреваться, тем меньше будет его максимально допустимый ток, и в конечном итоге это может привести к разрушению силового ключа. Обычно такое разрушение выглядит как маленький взрыв, в отличии от пробоя по напряжению, когда транзистор просто тихо сгорает.
Отсюда делаем вывод, для рабочего тока величиной 25 ампер необходимо выбирать такие транзисторы у которых рабочий ток будет не ниже 25 ампер при 100 градусах Цельсия! Это сразу сужает район наших поисков до нескольких десятков доступных силовых транзисторов.
При выборе ключей не стоит пользоваться максимально допустимыми параметрами, и параметрами для импульсных токов. Лучше пускай будет запас, чем авария в самый неподходящий момент. Поэтому смотрим только на максимальные значения постоянных величин, токов и напряжений! Естественно определившись с током нельзя забывать и о рабочем напряжении, во всех приведенных схемах, на транзисторах напряжение не превышает напряжение питания, или проще говоря не может быть больше 310 вольт, при питании от сети 220 вольт. Исходя из этого выбираем транзисторы с допустимым напряжением не ниже 400 вольт. Многие могут сказать, что мы поставим сразу на 1200, это мол будет надёжнее, но это не совсем так, транзисторы одного вида, но на разные напряжения могут очень сильно отличаться!.
пример: IGBT транзисторы фирмы IR типа IRG4PC50UD — 600В — 55А, а такие же транзисторы на 1200 вольт IRG4PH50UD — 1200В — 45А, и это ещё не все отличия, при равных токах на этих транзисторах различное падение напряжения, на первом 1,65В, а на втором 2,75В! А при токах в 25 ампер это лишние ватты потерь, мало того, это мощность которая выделяется в виде тепла, её необходимо отвести, значит нужно увеличивать радиаторы почти в два раза! А это дополнительный не только вес, но и объём! И всё это необходимо помнить при выборе силовых транзисторов, но и это ещё только первый прикид! Следующий этап, это подбор транзисторов по рабочей частоте, в нашем случае параметры транзисторов должны сохраняться как минимум до частоты 100 кГц!
Для «жёсткого» переключения на частоте ЗОкГц, необходим запас по частоте не менее чем в три раза! Для резонансных преобразователей наоборот, можно пользоваться не слишком быстрыми транзисторами. Дело в том, что процесс переключения на резонансной частоте не требует таких затрат энергии, как при «силовом» переключении, и транзисторы замечательно работают на частотах в 4-5 раз выше, чем предельно допустимые! Фирма IR обычно даёт значения граничных частот и для «силового» и для резонансного режимов. Вот собственно всё, что нужно знать при выборе транзисторов. Сейчас самые доступные и по цене и по наличию в продаже это транзисторы фирмы IR. В основном это IGBT, но есть и хорошие полевые транзисторы с допустимым напряжением 500 вольт. Они хорошо работают в подобных схемах, но не очень удобны в крепеже, нет отверстия. В корпусе, для нормальной работы IGBT транзисторов необходима пауза между закрытием и открытием, чтобы завершились все процессы внутри транзистора. Это не менее 1,2 микросекунды для IGBT, и для MOSFET транзисторов, это время не может быть менее 0,5 микросекунды! Вот все требования к транзисторам, и если все они будут выполнены, то Вы получите надёжный сварочный аппарат! Исходя из всего выше изложенного — лучший выбор это транзисторы фирмы IR типа IRG4PC50UD, IRG4PH50UD, полевые транзисторы IRFPS37N50A, IRFPS40N50, IRFPS43N50K. Эти транзисторы были опробованы и показали свою надёжность и долговечность при работе в мощных сварочных инверторах. Для маломощных преобразователей, мощность которых не превышает 2,5 кВт можно смело использовать IRFP460.
Источник: Назаров В.И. и др. «Сварочный инвентор. Теория и практика». Рыбинск, 2008
Предлагаю обратить внимание на биполярный транзистор с изолированным затвором — это IGBT. Фактически это два транзистора на одной подложке. IGBT позволяет получить высокую силу тока на выходе, при минимальном нагреве.
Очень часто для бесперебойной работы мощных выключателей в транзистор IGBT вживляют специальные микросхемы.
Силовой инверторный блок
Переменное напряжение 220 В – это некоторое усредненное значение, которое показывает, что оно имеет такую же энергию, как и постоянный ток в 220 В. Фактически амплитуда равна 310 В. Из-за этого в фильтрах используются емкости на 400 В.
Мостовая выпрямительная сборка монтируется на радиатор. Требуется охлаждение диодов, поскольку через них протекают большие токи. Для защиты диодов от перегрева на радиаторе имеется предохранитель, при достижении критической температуры он отключает мост от сети.
В качестве фильтра используются электролитические конденсаторы, емкостью от 470 мкФ и рабочим напряжением 400 В. После фильтра напряжение поступает на инвертор.
Во время переключения ключей происходят броски импульсного тока вызывающие высокочастотные помехи. Чтобы они не проникали в сеть и не портили ее качество, сеть защищают фильтром электромагнитной совместимости. Он представляет собой набор конденсаторов и дросселя.
Сам инвертор собирается по мостовой схеме. В качестве ключевых элементов применяются IGBT транзисторы на напряжения от 600 В и токи соответствующие данному инвертору.
Они тоже с помощью специальной термопасты монтируются на радиаторы. При переключениях этих транзисторов возникают броски напряжения. Чтобы их погасить применяются RC фильтры.
Полученный на выходе электронных ключей переменный ток поступает на первичную обмотку высокочастотного понижающего трансформатора. На выходе вторичной обмотки получается переменный ток напряжением 50-60 В.
Под нагрузкой, когда идет сварка, он может выдавать ток до нескольких сотен ампер. Вторичная обмотка обычно выполняется ленточным проводом для уменьшения габаритов.
На выходе трансформатора стоит еще один мощный диодный мост. С него уже снимается необходимый сварочный ток. Здесь используются быстродействующие силовые диоды, другие использовать нельзя, потому что они сильно греются и выходят из строя. Для защиты от импульсных бросков напряжения используются дополнительные RC цепи.
Между этими двумя видами существует достаточно много различий. Правда с первого взгляда их не просто определить. MOSFET,- это полевой транзистор. IGBT — это биполярный.
Самое главное — это предельная мощность, которую должен выдерживать транзистор. У MOSFET эти показатели ниже, а у IGBT мощность выше. Естественно этот фактор влияет и на разницу стоимости прибора.
Самый простой сварочный инвертор своими руками — подбираем транзисторы
Инвертор представляет собой прибор, который служит для сварки и резки чёрных и цветных металлов, а также нержавеющей стали. Основным его преимуществом является работа от постоянного тока, что позволяет сделать более качественный шов, а также обеспечивает быстрое разжигание и удерживание дуги. Простой сварочный инвертор своими руками имеет небольшие размеры в сравнении с трансформаторным аппаратом. Можно использовать старый корпус от нерабочего инвертора, чтобы упростить себе работу по сборке.
Запчасти для сварочных инверторов имеются в свободной продаже. Однако чтобы правильно их подобрать, нужно обладать некоторыми специальными знаниями.
Сначала не лишним будет заметить, что транзисторы для сварочных инверторов чаще, чем другие детали выходят из строя. Поэтому именно их правильный подбор и высокое качество будут обеспечивать долгосрочную работу прибора.
Сделанный инверторный сварочный аппарат своими руками, снабжён четырьмя ключами, которые состоят из четырёх параллельных транзисторов, прикреплённых к обособленным радиаторам.
Транзисторы крепятся с помощью термопасты, которая служит также для отвода тепла от этого элемента.
Время чтения: 6 минут
За последние 100 лет технология сварки претерпела значительные изменения. Классические сварочные аппараты были усовершенствованы, а в продаже появились совершенно новые устройства. Наибольший вклад в развитие домашней и любительской сварки внесло изобретение инверторного сварочного аппарата. Его электронная «начинка» позволяет внедрить функции, которые недоступны классическому трансформатору или выпрямителю.
Читайте также:
- Сварка пнд трубы 32
- Полуавтомат сварочный gas no gas
- Универсальный сварочный инверторный аппарат
- Защита сварочного аппарата от перегрева
- Сварка алюминия угольным электродом в домашних условиях инвертором