Сварочные инверторы с корректором мощности

Обновлено: 21.09.2024

Времена, когда "бал правили" огромные сварочные трансформаторы безвозвратно ушли в прошлое и сварка в бытовых условиях стала не роскошью, а обыденным делом мастера. Благодаря появлению инновационных технологий, компактный и функциональный сварочный инвертор с PFC (модулем коррекции коэффициента мощности) стал чаще встречаться у домашних умельцев, в представленном материале мы раскроем почему выбор падает на сварочники с PFC и в чем их преимущества.

Содержание

Преимущества сварочных инверторов оснащенных модулем PFС

На профессиональных форумах специалисты-электротехники до хрипоты спорят о преимуществах активного и пассивного корректора мощности в устройствах и их возможности сводить к минимуму потери электроэнергии при ее передаче от источника питания. Однако специалиста-практика мало интересуют теоретические дебри, ему достаточно знать, что с практической точки зрения, сварочные инверторы, в которых имеется функция PFC (ККМ, коррекция коэффициента мощности), обладают практически еще одним дополнительным стабилизатором напряжения на входе, поэтому такой аппарат способен:

Использовать значительно меньшую величину потребляемого тока без снижения силы максимального сварочного тока;
Работать на сверхнизком напряжении (просаженных сетях), а также при его скачкообразном изменении. При этом диапазон значений напряжения в сети может колебаться весьма значительно (от 90 до 240В);
Работать при подключении через удлиненный переносной кабель;
Работать с бензиновыми или дизельными генераторами, т.к. аппарат с ККМ не нагружает их, как обычный сварочник.

На рисунке представлена вольт-амперная характеристика с использованием модуля PFC и без него. Обычный инвертор (без PFC) берет из сети пиковыми значениями, показано красной линией, а с модулем PFC потребление переводится в плавную синусоиду, за счет этого не создается нагрузка на сеть.

Наряду с этим резко повышается коэффициент полезного действия аппарата, достигая не менее 85%. Коррекция фактора мощности PFC позволяет достичь и максимально высокого КМ (до 99,9% в идеальном варианте), при этом на нагрев проводников расходуется не более 1% общей мощности инвертора!

Что выбрать? Бытовые инверторы с функцией PFС

Следует отметить, что стоимость PFC инвертора с активным типом контроля коэффициента мощности, конечно же несколько выше, чем у обычных импульсных источников питания с без трансформаторным входом, особенно это сказывается на цене бытовых моделей. Поэтому, приобретая аппарат, необходимо четко очертить его планируемую сферу деятельности.

Бюджетные варианты инверторов подойдут в том случае, если сварочные работы будут выполняться лишь от случая к случаю, а в качестве свариваемого материала будут выступать простейшие стали. Не стоит думать, что подобные аппараты совсем примитивны, например сварочный инвертор Сварог 160 PFC, несмотря на свою приемлемую цену способен:

Работать от сети с напряжением 160-240В, то есть качественная работа с электродами диаметром до 3 мм возможна даже при значительном падении напряжения;
Специально для дилетантов прибор снабжен функцией HOT START, в результате чего в момент прикасания электрода к сварочной заготовке кратковременно импульсно повышается значение сварочного тока, благодаря чему зажигается дуга;

Однако, сварить алюминий, применяя подобное оборудование не получится, так как оно предназначено для сварочных работ с постоянным током. Сварщики, которые работают на этом аппарате, хвалят его надежность, но среди многочисленных преимуществ иногда отмечают небольшой недостаток: затрудненном поджиге некоторых марок электродов, а в частности УОНИ 13/55, но в основном этого инвертора хватит за глаза на большинство бытовых задач.

Если же вы готовы потратиться на функциональность, обязательно обратите внимание на модель Gysmi E200 PFC. Помимо всех достоинств инвертора с ККМ, данный аппарат снабжен функцией автоматического затухания дуги, что позволяет завершить сварной шов без таких дефектов, как трещины и сварочный кратер (углубление). Аппарат с легкостью можно перенастроить на режим аргонодуговой сварки не плавящимся электродом и порог максимального сварочного тока несколько выше, чем у модели от бренда Сварог.

К чуть более дорогому ценовому диапазону относится инвертор итальянского производства Blueweld Active 187 MV PFC. Мало того, что производитель допускает подключение к аппарату удлиняющих "переносок" длиной до 50 м, так он еще предусмотрительно снабдил прибор корпусом усиленной прочности. А самое главное - синергетическая регулировка позволяет точно придерживаться определенной длины дуги, достаточно лишь выставить данные о толщине материала. Модель Аctive 187 MV PFC позволяет работать не только с черным металлом, но также с нержавеющей и высоколегированной сталью, так как ему доступна и сварка в среде инертного газа. При его покупке вы сможете использовать любые типы электродов (в том числе с рутиловым и целлюлозным покрытием).

Если вы профессионал.

Промышленные сварочные аппараты способны работать без сбоев и поломок в самых сложных условиях. Компактными их уже, конечно, трудно назвать, ведь вес этого оборудования начинается от 20 кг и для перемещения инвертора по объекту приходится применять специальную тележку.

Американская компания Lincoln Electric выпускает один из наиболее функциональных инверторов - модель Lincoln Electric Invertec 300TPX, которая имеет несколько режимов аргонодуговой сварки и позволяет работать с различными металлами. Инновационное программное обеспечение позволяет после определения настроек выполнять работу в полуавтоматическом режиме. Низкое потребление энергии и сокращение рассеивания энергии в кабелях питания ему обеспечивает блок PFC, а низкий процент выброса СО₂ в процессе сварки позволяет назвать этот аппарат "экологичным".

Сварка от Texas Instruments: все для инверторов сварочного тока

Удобные и компактные инверторные источники тока для сварочных аппаратов с высоким КПД и корректором коэффициента мощности могут быть легко реализованы на базе микросхем Texas Instruments: ККМ-контроллеров с режимом чередования фаз UCC280xx, драйверов затворов силовых транзисторов UCC27xxx и LM51xx, а также – в случае цифровых источников тока – на базе микроконтроллеров из линейки C2000.

Когда речь идет об изготовлении металлоконструкций, одним из экономичных и эффективных способов соединения различных металлов является сварка. На сегодняшний день существует множество технологий, которые используют в своей работе различные источники энергии для создания сварочного шва: электрическую дугу, газовое пламя, лазерное излучение и так далее. Вне зависимости от используемой технологии, для образования и стабильного горения сварочной дуги необходимо обеспечить заданную вольт-амперную характеристику (ВАХ). Именно ВАХ определяет качество шва и скорость сварочного процесса. Для обеспечения требуемой ВАХ используют специальные источники питания. Среди основных типов сварочных источников тока, присутствующих сегодня на рынке, можно выделить трансформаторные, выпрямительные, генераторные и инверторные. Каждый из представленных аппаратов востребован при работе с конкретными типами металла, в определенных областях применения и предназначен для решения конкретных поставленных задач. Например, трансформаторные источники предназначены для сварки переменным током, выпрямительные, генераторные и инверторные – для сварки постоянным током.

Отдельно стоит отметить инверторный источник сварочного тока – ИИСТ. ИИСТ набирает свою популярность и широкое распространение благодаря своей мобильности, экономичности и высокой производительности. В большинстве случаев инверторные источники заметно повышают удобство и производительность сварки. Несмотря на малые габариты, они не уступают классическими источникам (трансформаторным и выпрямительным) по обеспечиваемым параметрам. Уменьшение габаритов ИИСТ, в основном, связано с использованием в схеме инвертора малогабаритного высокочастотного трансформатора вместо мощного сетевого силового трансформатора, используемого в трансформаторных и выпрямительных источниках.

Общие принципы построения инверторного преобразователя

Рис. 1. Общая схема источника питания сварочного аппарата

Электронная система управления в инверторных преобразователях также упрощает реализацию таких дополнительных функций как:

горячий старт (Hot start), используемый для поджига электрода в начале сварки;
форсированная дуга (Arc Force), которая с помощью увеличения тока предотвращает «залипание» электродов и обеспечивает стабильность горения дуги;
антиприлипание (Anti-Stick) – также обеспечивает защиту от прилипания электродов при возникновении короткого замыкания.

Использование ККМ в режиме чередования фазы

Кроме блока управления, в инверторных источниках отдельного внимания заслуживает блок коррекции коэффициента мощности (ККМ). Несмотря на вопросы, связанные с возможным взаимным влиянием ККМ и инвертора, и удорожанием изделия в целом, использование блока активной коррекции коэффициента мощности обеспечивает ряд важных технических параметров. С функциональной точки зрения использование ККМ обеспечивает большую стабильность выходного тока и напряжения инвертора, при этом уменьшает влияние входного напряжения на выходные параметры. С другой стороны, по своей природе инвертор является импульсным устройством и нелинейной нагрузкой для питающей сети, поэтому несинусоидальный ток потребления приводит к искажению формы питающего напряжения. Используя блок ККМ, мы, фактически, поддерживаем величину входного тока, пропорциональную входному напряжению, и тем самым уменьшаем величину гармонических составляющих и повышаем коэффициент использования входной мощности, что позволяет более рационально использовать электроэнергию, снижая ее потребление прибором.

В линейке продукции компании Texas Instruments для управления питанием можно найти широкий спектр микросхем, позволяющих реализовать мощные AC/DC-преобразователи различного назначения, включая промышленные системы. Одним из решений при реализации ККМ в источнике с выходной мощностью 1 кВт и более является использование режима чередования фаз.

Общий принцип построения и работы блока ККМ с чередованием фазы представлен на рисунке 2. Как видно из рисунка, для увеличения выходной мощности два каскада ККМ включены параллельно на одну нагрузку. При таком включении выходной ток распределен между двумя каскадами, и величина используемой индуктивности, как и ее предельные токи, может быть уменьшена. Кроме индуктивности, менее строгие требования предъявляются и к другим силовым компонентам схемы: к ключевому транзистору, силовому диоду, выходному конденсатору. Использование меньших по размеру компонентов и разделение схемы на две составляющие позволяет обеспечить распределенное рассеяние тепла, так как силовые компоненты равномерно распределяются по всей площади печатной платы. Другой отличительной особенностью ККМ с чередованием фазы является сдвиг по фазе на 180° между параллельно работающими узлами. Такое включение дает ряд преимуществ по сравнению с реализацией однокаскадного ККМ на большую мощность или при простом параллельном включении двух каскадов. Так как каскады работают со сдвигом фаз 180°, то токовые пульсации, как по входу, так и по выходу, уменьшаются за счет взаимокомпенсации.

Рис. 2. Схема ККМ с чередованием фаз

Из-за меньшей величины входных пульсаций в такой схеме ослабляются требования к входному фильтру электромагнитных помех. С другой стороны, малые пульсации по выходу дают возможность использовать выходной конденсатор с меньшим номиналом и меньшей величиной пробивного напряжения. Это упрощает создание блока питания с низким профилем, снижает стоимость реализации и обеспечивает более высокую надежность.

Реализация ККМ на UCC28070

UCC28070 – это одна из микросхем в линейке Texas Instruments, позволяющая реализовать коррекцию коэффициента мощности с использованием метода чередования фаз в режиме непрерывного тока. Помимо UCC28070, подобным функционалом также обладают UCC28060, UCC28061 и UCC28063, но они рассчитаны на меньшие мощности и предназначены для реализации ККМ в режиме граничных проводимостей. Для реализации режима ККМ с чередованием фазы в UCC28070 использованы два широтно-импульсных модулятора (ШИМ), работающих со сдвигом фазы, равным 180°. Как уже было отмечено, такой режим способствует снижению входных и выходных пульсаций тока и уменьшает требования к фильтру электромагнитных помех, а также помогает уменьшить себестоимость за счет использования выходного высоковольтного электролитического конденсатора меньшей емкости и c меньшими пробивными напряжениями.

Среди технических особенностей, реализованных в UCC28070, следует отметить размытие спектра, синхронизацию тактового генератора, управление скоростью нарастания выходного напряжения. Все эти и некоторые другие свойства UCC28070, наряду с реализацией топологии с чередованием фазы, позволяют достичь повышенных значений таких параметров как КМ, коэффициент гармоник, скорость реакции на переходные процессы. Применение UCC28070 позволяет получить коэффициент мощности более 0,9, а также обеспечить повышенный КПД во всем диапазоне нагрузок.

На рисунке 3 показана типовая схема применения UCC28070.

Рис. 3. Пример использования UCC28070

Как пример реализации корректора мощности с чередованием фаз на основе UCC28070, можно рассмотреть типовой дизайн PMP4311 (рисунок 4). Реализация предложенной схемотехники позволяет получить КМ более 0,98 при нагрузке до 5 кВт и входном напряжении в диапазоне 180…264 В [1]. При этом КПД решения – не ниже 95%.

Рис. 4. Корректор коэффициента мощности PMP4311

Помимо UCC28070, в предложенном решении применены обратноходовой преобразователь на базе UCC28061 и драйверы силовых транзисторов UCC27322.

Драйверы затвора

UCC27322, используемый в типовом дизайне PMP4311, – один из представителей FET/IGBT-драйверов затвора, выпускаемых Texas Instruments. Основное назначение данного класса приборов – обеспечить необходимый ток заряда и разряда затвора мощных транзисторов. UCC27322 обеспечивает ток порядка 9 А для заряда емкости Миллера при напряжении питания до 15 В, для чего в драйвере используется технология TrueDrive. На рисунке 5 представлена линейка драйверов затвора производства Texas Instruments.

Рис. 5. Серия драйверов затвора производства TI

Широкая линейка драйверов затвора позволяет выбрать подходящую модель для управления различными типами транзисторов (MOSFET, IGBT), выполненных с использованием разных технологий (Si, SiC, GaN). Например, для управления GaN силовыми полевыми транзисторами рекомендуется использование драйверов LM5113 и UCC27611, которые обеспечивают защиту от превышения напряжения на затворе более 5 В.

Ниже, в качестве примера драйвера FET и IGBT, кратко рассмотрим линейку UCC2753x (рисунок 6).

Рис. 6. Функциональная блок-диаграмма UCC2753X

Среди особенностей линейки UCC2753x можно выделить следующее:

малое время задержки – 17 нс;
широкий диапазон рабочих напряжений 10…35 В дает возможность использовать драйвер с широким спектром силовых транзисторов как для Si MOSFET, IGBT, так и для SiC FET;
наличие разделенного выхода (OUTH, OUTL) позволяет осуществлять независимую регулировку скорости изменения тока заряда и разряда затвора;
блокировка питания при пониженном напряжении питания.

Кратко о цифровом управлении

Такую же функциональность, как и в случае аналоговой схемы реализации ИИСТ, можно получить, используя цифровое управление. В таком источнике тока в качестве контролера инвертора и ККМ используется микроконтроллер. Система строится с использованием цифровых алгоритмов управления, выполняющихся микроконтроллером, и программируемого ШИМ для управления силовым каскадом.

Типовая схема цифрового источника питания включает микроконтроллер (МК), ШИМ, АЦП, силовой каскад (рисунок 7).

Рис. 7. Упрощенная диаграмма цифрового преобразователя

Для реализации цифрового источника питания важны следующие свойства:

АЦП должен обладать достаточной скоростью для управления петлей обратной связи. Кроме того, необходимо обеспечить его плотное взаимодействие с микроконтроллером и ШИМ для быстрого отклика системы;
сам МК должен обладать достаточной производительностью для вычисления необходимых функций управления при одновременном считывании данных с АЦП и управлении ШИМ;
ШИМ должен обладать достаточной гибкостью управления для реализации сложных топологий и обеспечения эффективного управления силовым каскадом;
необходимо наличие компаратора, встроенного в МК, для прецизионного управления выходами ШИМ и контроля силового каскада.

Все вышеперечисленные требования легко реализуются с помощью микроконтроллеров TI семейства С2000. Интегрированные АЦП данного семейства могут работать на частоте до 4,6 Мвыб/с, при этом обеспечивается плотная связка между АЦП и ШИМ. Сам ШИМ позволяет обеспечить точность порядка 150 пс. В чип интегрирован компаратор, который позволяет реализовать режим управления по пиковому току. Само ядро микроконтроллера содержит ряд аппаратных ускорителей, которые позволяют легко реализовать математические функции, необходимые для реализации цифрового источника питания. Обобщенный пример реализации цифрового преобразователя на базе С2000 приведен на рисунке 8.

Рис. 8. Пример использования C2000 в цифровом преобразователе напряжения AC/DC

Для простоты реализации цифрового преобразователя напряжения компания TI предлагает набор готовых библиотек и средства отладки для проверки их функциональности. Для быстрого старта при разработке цифрового источника питания для сварочных аппаратов на основе контроллера реального времени C2000 следует обратить внимание на демонстрационные наборы TMDSHVBLPFCKIT, TMDSHVPFCKIT, TMDSHVPSFBKIT и TMDSHVRESLLCKIT (рисунок 9) [3, 4].

Рис. 9. Демонстрационный набор
TMDSHVRESLLCKIT

TMDSHVBLPFCKIT и TMDSHVPFCKIT показывают возможности реализации цифрового ККМ с чередованием фазы на базе микроконтроллеров TMS320F28035 и TMS320F28027 при работе от сети переменного тока с входным напряжением в диапазоне 85…265 В и выходным напряжением 390 В. Основное отличие между представленными наборами, кроме различных микроконтроллеров, поставляемых по умолчанию – это реализация в TMDSHVBLPFCKIT ККМ без входного выпрямительного моста. Оба набора могут использоваться совместно с TMDSHVPSFBKIT и TMDSHVRESLLCKIT для реализации полноценного цифрового AC/DC-преобразователя.

TMDSHVPSFBKIT и TMDSHVRESLLCKIT демонстрируют возможности реализации высоковольтного DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямителем на базе микроконтроллера TMS320F28027. С помощью TMDSHVRESLLCKIT можно легко проверить возможности реализации резонансного DC/DC-преобразователя и поэкспериментировать с различными методами управления. Имеющаяся в комплекте плата управления (controlCard) с TMS320F28027 в случае необходимости может быть заменена на аналогичную с другим микроконтроллером из семейства С2000. С помощью TMDSHVPSFBKIT также легко проверить возможности реализации цифрового мостового DC/DC-преобразователя.

Для простоты разработки все отладочные средства Texas Instruments поддерживаются обширной документацией, подробными примерами типовых решений и большим набором открытых исходных кодов, которые можно найти в среде controlSUITE, что существенно облегчает обучение разработчика. Для удобства отладки и экспериментирования все наборы имеют USB JTAG-интерфейс. Программирование модулей может быть осуществлено при помощи графических элементов среды разработки.

Заключение

Компания Texas Instruments предлагает современные решения для разработки передовых инверторных источников питания сварочных аппаратов. Инверторные источники питания позволяют создавать промышленные приборы для реализации различных методов сварки при производстве сложных и ответственных металлоконструкций из различных материалов, а демонстрационные наборы TI позволяют быстро начать собственную разработку. Надежные, высокотехнологичные компоненты TI дают возможность создавать передовые источники питания для сварочных аппаратов на базе как аналоговых, так и цифровых решений. Имеющиеся компоненты Texas Insruments позволяют реализовать различные функции AC/DC-преобразователей – от управления затворами силовых транзисторов до реализации отдельных блоков: ККМ, инвертора, системы управления.

Литература

Скоростные драйверы MOSFET

UCC27321/2 – высокоскоростные драйверы, обеспечивающие пиковый ток до 9 А. Данные драйверы предназначены для управления мощными MOSFET, требующими высоких токов для перезаряда емкости Миллера при быстром переключении. Они служат интерфейсом между микроконтроллерами с низким энергопотреблением и мощными MOSFET. При нагрузке CL = 10 нФ драйверы обеспечивают фронты 20 нс, при этом время задержки управляющего сигнала составляет 25 нс для убывающего фронта и 35 нс для нарастающего. Использование драйверов позволяет уменьшить площадь платы управления за счет упрощения дизайна и использования одной микросхемы вместо множества дискретных компонентов. UCC27321/2 реализует два типа логики управления: с инвертированием (UCC27321) и без инвертирования (UCC273212) управляющего сигнала.

Рабочий диапазон напряжений драйверов – 4…15 В. Для обеспечения эффективного управления при низких напряжениях питания в драйвере применен гибридный выходной каскад (TrueDrive), использующий параллельное включение MOSFET и биполярного транзистора. Такая архитектура позволяет использовать драйвер в большинстве стандартных промышленных применений, требующих тока затвора значением в 6, 9 и 12 А. Встроенный паразитный диод интегрированного в драйвер MOSFET обеспечивает малый импеданс всплесков напряжения и позволяет во многих случаях отказаться от внешнего ограничивающего диода Шотки.

Для гибкости управления драйвером в микросхеме предусмотрен дополнительный вывод разрешения (ENBL). По умолчанию он подтянут к напряжению питания и может быть оставлен неподключенным при стандартном применении.

Драйверы доступны в нескольких корпусах – SOIC-8, PDIP-8, MSOP-8 PowerPAD. Корпус PowerPad обладает существенно меньшим температурным сопротивлением, что позволяет использовать драйвер при больших температурах и улучшить долговременную надежность.

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.

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.

Какие сварочные аппараты подходят для низкого напряжения сети

Каждый электрический сварочный аппарат рассчитывается на работу при определённых параметрах сети. Промышленные аппараты работают при напряжении 380 В, а бытовые - 220 В. Однако сетевое напряжение не может похвастать стабильностью параметров. Особенно этим грешат бытовые сети. Очень часто они перегружены и напряжение в них падает ниже 200 вольт, что сказывается на стабильности работы потребителей электрической энергии. Как правило, все приборы гарантируют надёжную работу при отклонении напряжения сети не более чем на 10 процентов, что составляет от 200 до 245 вольт. Необходимо заметить, что наличие даже 200 вольт в сети не гарантирует работу сварочного аппарата.

Это происходит потому, что сварочный аппарат сам потребляет большой ток и сильно снижает напряжение сети. Если замер напряжения сети покажет 200 вольт – не спешите радоваться: при включении сварочного аппарата, этот показатель может снизиться до порога автоматического отключения устройства. Многие современные сварочные аппараты имеют защиту, отключающую их при напряжении уже 190 вольт.

Одной констатации проблемы недостаточно, необходимо найти пути её решения. Раньше вопрос решали при помощи секционирования первичной обмотки сварочного трансформатора, но это было только частичное решение. Путём переключения секций первичной обмотки можно решить проблему с величиной сварочного напряжения, но компенсировать потерянную мощность невозможно.

Установка дополнительных трансформаторов и стабилизаторов могла бы помочь, но практического смысла не имела. В самых критических случаях прибегали к подключению сварки к дизельгенератору или применяли газовую сварку. Кардинальное решение проблемы может обеспечить только специализированный сварочный аппарат для пониженного напряжения сети.

Сварочный аппарат с инвертором для низкого напряжения сети – решение Ваших проблем

Недостатком инверторных сварочных аппаратов, работающих от сети с пониженным напряжением, является их повышенная стоимость. Как правило, они стоят на 25-30% дороже обычных аппаратов для сварки. Это объясняется наличием в их конструкции дополнительных функций: стабилизации напряжения и коррекции коэффициента мощности. Такие аппараты способны решить следующие задачи:

приспособиться к питанию от слабой сети;

гладить перепады напряжения;

обеспечить качественный шов при низких параметрах сети.

Сварочные аппараты, собранные на основе такой схемы, позволяют надёжно и качественно варить от сети 180 В. А специальные экземпляры могут работать и от 135 вольт. Для обеспечения таких показателей имеется внутренний блок стабилизатора напряжения и блок корректора коэффициента мощности PFC (Power Factop Corrector). Наличие этих блоков позволяет питать сварочный аппарат от дизель-генератора и использовать удлинители длиною до 50 метров.

Функции блока корректора коэффициента мощности сварочного инвертора:

позволяет работать в слабой сети при напряжениях от 170 до 280 вольт;

экономит до 25% электроэнергии;

допускает применять кабель питания уменьшенной площади сечения;

снижает уровень сетевых помех.

Схемы, применяемые для внутренних стабилизаторов напряжения, весьма разнообразны и не отличаются новизной. Блок корректора мощности - достаточно недавнее изобретение, которое представляет собой сложную электронную схему. Разобраться в особенностях её работы под силу только специалистам по промышленной электронике. Для обладателей таких аппаратов достаточно знать, что коррекция мощности происходит за счёт накопления индуктивной энергии на катушке индуктивности.

Сварочный инвертор MultiARC-2500MV

Производитель сварочного оборудования «Кедр» создал сварочный аппарат для низкого напряжения сети MultiARC-2500MV, который не содержит внутреннего стабилизатора напряжения и блока коррекции коэффициента мощности, что не накладывает дополнительную стоимость на изделия. В то же время этот аппарат позволяет вести сварку без всяких ограничений в интервале от 187 до 260 вольт, допуская ещё больший разброс параметров при некоторых ограничениях.

Универсальный сварочный инвертор MultiARC-2500MV является аппаратом промышленного класса, выполненным в компактном корпусе. По показателю отношения мощности к объёму корпуса этот аппарат входит в группу лидеров как отечественного, так и мирового рынка малогабаритных сварочных инверторов.

Уникальность этого аппарата основана на двух вариантах подключения питания. Его можно подключить как к промышленной сети трёхфазного переменного тока 380 вольт, так и к бытовой сети однофазного переменного тока 220 вольт. При этом гарантируется надёжная работа аппарата при питающем напряжении от 187 вольт. При более низких напряжениях сети аппарат также работает, но допускает сварку только электродами меньшего диаметра. Попросту говоря: на напряжении в 157 вольт не нужно пытаться варить электродами диаметром 5 мм. Лучше пройдите в несколько заходов электродом диаметром 3 мм.

Кроме вышеперечисленных особенностей, MultiARC-2500MV имеет надёжную защиту от внешних воздействий, что позволяет выбирать его для проведения работ на открытых площадках вдали от стационарных производственных площадей. Если добавить к этому терпимость к пониженному напряжению питания, то становится понятной задумка его конструкторов: сделать универсальный, надёжный аппарат на все случаи жизни.

Возможности MultiARC-2500MV

Многофункциональность

Одно устройство – два режима сварки. Режим ММА – самый распространённый режим проведения сварочных работ, позволяет вести сваривание обычных марок стали, высокоуглеродистой стали и чугуна штучными электродами диаметром от 2 мм. и до 5 мм. Диаметр электродов следует подбирать в зависимости от того, к какой сети подключён аппарат. При подключении к трёхфазной сети 380 вольт, можно варить электродами диаметром до 5 мм. Если подключение произведено к маломощной однофазной сети – лучше ограничиться электродами диаметром 3 мм.

Режим TIG добавляет возможность сваривания титана, меди, алюминия и ещё целого ряда металлов. Этот режим очень любят новички, так как он позволяет даже им получать хороший шов. В этом аппарате реализована одна из разновидностей сварки в среде защитного газа: Lift TIG. Это означает, что поджиг дуги производится касанием вольфрамового электрода о металл.

Ручная регулировка токов форсажа (ARC FORCE) предполагает понимание специфики сварки и немного огорчает новичков, для которых предпочтительнее автоматический подбор параметров. Эта функция позволяет регулировать «жёсткость дуги», которая влияет на глубину проплавления металла.

Функция горячий старт (HOT START) увеличивает величину сварочного тока в начале процесса сваривания. Ручное управление этой функцией позволяет применять её только при непосредственной надобности:

при сваривании неочищенных или ржавых деталей;

при сваривании некачественными электродами;

при низком напряжении сети.

Функция VRD (Voltage Reduction Device) снижает напряжение холостого хода, она может быть отключена вручную. Считается, что необходимость в применении этой функции возникает в условиях, которые представляют опасность со стороны поражения электрическим током. Строящийся дом, гараж, дача требуют применения этой функции. В сухих стационарных помещениях эта функция может быть отключена.

Длительная продолжительность включения

ПВ = 100% означает, что не существует никаких ограничений по длительности непрерывной работы таким аппаратом. Это значит, что такой инвертор обеспечивает наивысшую производительность труда и низкую себестоимость продукции.

Удобный интерфейс

Под пластиковой защитой на передней панели аппарата расположен интерфейс высокой степени информативности. Основная информация выводится на цифровой дисплей. Настройка параметров производится одним декодером. Ещё две кнопки предназначены для выбора режимов работы, правильность набора контролируется по индикаторной схеме.

Познакомиться с подробной информацией о сварочном инверторе MultiARC-2500MV, проконсультироваться с менеджерами, сделать свой выбор и купить аппарат можно на нашем сайте.

Для чего необходим запас по мощности при подключении сварочного инвертора к генератору

На примере мощных автономных источников для промышленности, мы рассмотрим особенности работы сварочных инверторов от автономных источников электропитания и разберемся, для чего необходим запас по мощности, при подключении сварочного инвертора к генератору.

Заметим, что при работе инверторов сварочных от электромашинных автономных источников электропитания важно учитывать особенности и характеристики как тех, так и других. Так под воздействием сварочного трансформатора (индуктивной нагрузке), внешняя характеристика генератора (синхронного) имеет резко снижающийся характер, причем с падением cos понижение напряжения усиливается, это можно увидеть на Рисунке 1 (x>0)

При U=0 (коротком замыкании) все характеристики будут пересекаться в одной точке, которая будет соответствовать значению тока 3-х фазного короткого замыкания.

Так как, большее количество оборудования-потребителей имеют индуктивно-активный характер тока, который они потребляют, то производители генераторов вводят еще одну положительную обратную связь тока для компенсации упадка напряжения при нагрузке. Таким образом, с увеличением тока при нагрузке генератор будет увеличивать напряжение.

У инверторных источников (как потребителей тока), технически емкостный характер системы, из-за этого с повышением тока в нагрузке возрастает само напряжение, а наличие обратной положительной связи по току, ведет к еще большему повышению напряжения. В связи с этим, результатом может быть поломка инвертора или выход из строя генератора из-за перенапряжения.

Структура (схематично) типичного сварочного инверторного источника изображена на Рисунке 2.

3-х фазное напряжение выпрямляется неуправляемыми выпрямителями В и его сглаживает емкостный фильтр C_Ф. Инвертор И преобразовывает постоянное напряжение в повышенной частоты переменное, которое занижается трансформатором и выпрямляется неуправляемыми выпрямителями, а дальше, через фильтр (индуктивный) L_Ф поступает в нагрузку R_Н.

Далее, на Рисунке 3 представлены осциллограммы напряжения (линейного) на входе несложного источника инверторного типа (сварочный ток 150А) при его питании от генератора (синхронного) с мощностью в 30 кВт. Емкость конденсаторного фильтра Cф будет равна 40 mkФ (микрофарад, в них измеряют емкость у конденсаторов).

Из графика видно, что на кривой напряжения (линейного) имеем сильные искажения, а амплитуда около 700В. Понижение емкости фильтра в 3,5 – 4 раза понижает амплитуду напряжения на 90В (до 610В), но в полученной кривой образуется высокочастотная составляющая, равная инвертированной частоте, что весьма не желательно может навредить сварочному инвертору.

При росте потребляемого тока рабочее значение генератора и его напряжение возрастает, важно, что приращение его напряжения будет зависеть от соотношения номинальной и потребляемой мощности генератора.

Так при подсоединении и питании, четырех обычных инверторов с мощностью потребления в 35 кВт, к генератору с номинальной мощность в 100 кВт и номинальным током 180А, напряжение составит 10В, а при подключении такого же количества аппаратов инверторов к генератору с мощностью 60 кВт составит 40 В, при этом амплитуда и значение линейного напряжения возрастет с 540 до 695 В. А синхронный генератор в 30 кВт допустит нормальную работу лишь одного обычного аппарата инверторного типа без принятия дополнительных мероприятий.

Поэтому большинство изготовителей инверторных сварочных источников указывают в инструкциях, что сумма потребляемой мощности не должна будет превышать 50% номинальной мощности генератора (источника питания). В связи с этим возникает потребность заказывать и использовать генераторы, серийно выпускаемые, с двойным запасом мощности, либо использовать генераторы с адаптированными корректорами напряжения для работы с емкостно-активной нагрузкой или приспосабливать сварочные инверторы для нормальной эксплуатации и работы самим.

Отметим, что первые два пути потребует более значительных денежных затрат, второй ведет к большим затратам времени. Давайте же рассмотрим несколько разумных вариантов решения данной проблемы.

Читайте также: