Инвертор на igbt транзисторах: схема и преимущество использования в сварке - Производство и поставки
19.05.2022

Инвертор на igbt транзисторах: схема и преимущество использования в сварке

Полевые полупроводники

Используемые в инверторах полупроводники по MOSFET технологии – это полевые силовые транзисторы с изолированным затвором. Управление полупроводником осуществляется напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых током. Канал ключа имеет высокую проводимость 1 мОм. В закрытом виде у них огромное входное сопротивление.

Изначально полевые полупроводники использовались и до сих пор применяются как ключи. В схемах импульсных источников питания применяются полевики с индуцированным затвором. В таком исполнении при нулевом напряжении на затвор-исток канал закрыт.

Для открытия ключа требуется подать потенциал определенной полярности. Для управления ключом не требуется силовых источников. Данные полупроводники часто используются в источниках питания и инверторах.

Биполярный прибор

IGBT – это биполярный транзистор с изолированным затвором, применяемый в инверторе. Фактически он состоит из двух транзисторов на одной подложке. Биполярный прибор образует силовой канал, а полевой является каналом управления.


Соединение полупроводников двух видов позволяет совместить в одном устройстве преимущества полевых и биполярных приборов. Комбинированный прибор может, как биполярный, работать с высокими потенциалами, проводимость канала обратно пропорциональна току, а не его квадрату, как в полевом транзисторе.

При этом IGBT транзистор имеет экономичное управление полевого прибора. Силовые электроды называются, как в биполярном, а управляющий получил название затвора, как в МОП приборе.

IGBT транзисторы для сварочных инверторов и силовых приводов, где приходится работать при высоких напряжениях, стали использовать, как только отладили технологию их производства. Они сократили габариты, увеличили производительность и мощность инверторов. Иногда они заменяют даже тиристоры.

В IGBT инверторе для обеспечения работы мощных переключателей применяются драйверы – микросхемы, усиливающие управляющий сигнал и ускоряющие быструю зарядку затвора.

Некоторые модели IGBT транзисторов работают с напряжением от 100 В до 10 кВ и токами от 20 до 1200 А. Поэтому их больше применяют в силовых электроприводах, сварочных аппаратах.

Полевые транзисторы больше применяют в импульсных источниках и однофазных сварочных инверторах. При токовых параметрах 400-500 В и 30-40 А они имеют лучшие рабочие характеристики. Но так как IGBT приборы могут применяться в более тяжелых условиях, их все чаще применяют в сварочных инверторах.

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

Параметр IGBT
Суммарные потери Pd = Pконд + Pперекл
Кондуктивные потери Pконд = Uкэ нас (rms) × Iк × D, где D – коэффициент заполнения
Потери на переключение Pперекл = Eперекл × f, где f – частота переключений, Eперекл = (Eвкл + Eвыкл) — суммарные потери на переключения (приводится в параметрах IGBT)
Максимальная мощность, ограничиваемая перегревом кристалла Pd = (Tj – Tc)/Rth-jc, где Tc – температура корпуса, Tj – температура кристалла, Rth-jc – тепловое сопротивление «кристалл-корпус» (приводится в параметрах 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].

Читайте также:  Ацетиленовый баллон. Устройство, заправка, хранение и эксплуатация ацетиленовых баллонов. Вентиль ацетиленового баллона.

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.



Причины поломок сварочных инверторов и их устранение

Ремонт сварочных инверторов своими руками: чиним сварочный аппарат

Для ремонта сварочного инвертора своими руками требуется совсем немного: некоторые познания в электротехнике, элементарные радиолюбительские навыки, обычный мультиметр и паяльник, пригодный для пайки печатных плат.

Дополнительным стимулом к принятию решения о самостоятельном ремонте станет результат изучения прейскурантов сервисных предприятий, особенно если сварочный аппарат стоит меньше десяти тысяч рублей. Для того чтобы понять принцип работы и устройство сварочного инвертора, достаточно популярной литературы, которая в изобилии присутствует в интернете.

Облегчает задачу и тот факт, что внутренняя компоновка и состав основных модулей у всех аппаратов бытового назначения практически одинаковы.

Основные причины выхода из строя инверторов и их проявление

Главными причинами выхода из строя сварочных инверторов являются нарушения правил их эксплуатации. О рабочих режимах и особенностях технического обслуживания конкретного аппарата можно узнать из его паспорта, в целом приводится примерно одинаковый перечень мероприятий:

  • ежедневный внешний осмотр основного блока и кабелей;
  • периодическая внутренняя чистка аппарата сжатым воздухом;
  • плановая проверка, зачистка, протяжка и ремонт соединений внутренних силовых контактов;
  • измерение сопротивления изоляции и проверка цепей защитного заземления.

Основные факторы, воздействие которых становится причиной неисправности инвертора:

  1. Резкие изменения входного напряжения. Его падение ведет к нарушению стабильности и прекращению работы инвертора, то значительное превышение может вызвать выход из строя элементов входного выпрямителя.
  2. Минеральная пыль. Покрывает поверхности внутренних деталей аппарата и забивает ребристые поверхности радиаторов охлаждения диодов и транзисторов. Это приводит к нарушению теплового режима и может вызвать выход из строя отдельных элементов.
  3. Металлическая пыль и мелкая стружка. Попадает внутрь инвертора через входной вентилятор в том случае, если рядом с ним выполняются работы болгарками, шлифмашинками и пр. Может вызвать внутреннее короткое замыкание.
  4. Вода и повышенная влажность. Вызывает окисление проводов и контактов, может привести к короткому замыканию.
  5. Наружные механические повреждения. Иногда служат причиной выхода из строя органов управления и внутренних конструктивных элементов, на которых крепятся электронные компоненты.

Далее описаны основные нарушения в работе инверторов и их причины.

Нестабильность дуги, разбрызгивание металла

Ремонт сварочных инверторов своими руками: чиним сварочный аппарат

При значительных колебаниях входного напряжения или некорректной работе системы управления инвертора происходят скачкообразные изменения сварочного тока, что приводит к нестабильности дуги. В этом случае в первую очередь необходимо проверить напряжение сети. Если оно в норме, а колебания продолжаются, следует произвести внутреннюю диагностику инвертора.

Разбрызгивание металла при сварке, как правило, является следствием неправильного выбора тока сварки. Причиной этого может быть как человеческий фактор, так и неисправность регулятора тока или системы управления.

Инвертор не включается

У этого явления может быть несколько причин:

  • плохой контакт зажима кабеля «массы»;
  • слишком низкое входное напряжение;
  • выключился входной автомат (причиной этого может быть внутреннее короткое замыкание);
  • сработала тепловая защита.

В последнем случае необходимо дождаться остывания аппарата и попробовать включить его заново. Если защита срабатывает повторно, то инвертору требуется техобслуживание или ремонт.

Перегрев инвертора

Ремонт сварочных инверторов своими руками: чиним сварочный аппарат

Основной причиной перегрева инвертора является нарушение тепловых режимов из-за большого количества пыли во внутреннем пространстве аппарата.

Пыль выступает в роли теплоизоляции, покрывая поверхности охлаждаемых потоком воздуха компонентов, и не позволяет нормально работать вентиляторам.

При постоянном перегреве, прежде чем заводить речь о диагностике и ремонте, необходимо тщательно и очень аккуратно очистить все внутренние модули сжатым воздухом. Другой причиной перегрева инвертора является несоблюдение рекомендуемой величины параметра ПВ (продолжительность включения).

Повышенное энергопотребление

Повышенное энергопотребление на холостом ходу при нормативном значении входного напряжения сети, как правило, связано с коротким замыканием между витками одной из обмоток высокочастотного трансформатора.

Внешне такая неисправность выглядит как подгорание изоляции вокруг его токоведущих частей и чаще всего сопровождается падением величины напряжения холостого хода (иногда в два-три раза).

Самому снять, разобрать и осмотреть трансформатор несложно, а вот его ремонт лучше все-таки поручить тому, кто в этом хорошо разбирается.

Прикипание электрода к металлу

Если в процессе сварки электрод прикипает, скорее всего, это вызвано неправильным подбором технологических параметров и плохой подготовкой свариваемых поверхностей. Кроме того, для предупреждения такого явления все современные инверторы оснащены автоматической функцией Anti-Stick.

Читайте также:  Химические анкерные болты для бетона

Когда значение сварочного тока соответствует диаметру электрода и толщине свариваемого метала, а зона сварки разделана и зачищена надлежащим образом, причиной прикипания (залипания) может быть периодическое снижение напряжения как со стороны электросети, так и непосредственно в цепи сварки.

В первом случае необходимо стабилизировать сетевое питание или же использовать инвертор с возможностью работы при пониженном напряжении. Со стороны сварочной цепи должна производиться периодическая зачистка контактов и проверка их надежности. Кроме того, падение напряжение может быть вызвано применением кабелей, длина и сечение которых не соответствуют нормативным требованиям.

Невозможность регулировки тока

Ремонт сварочных инверторов своими руками: чиним сварочный аппарат

В первую очередь речь может идти о неисправности индикатора, отображающего величину тока. Также одна из самых распространенных причин — обрыв провода, поломка или внутренний износ потенциометра, которым задается значение сварочного тока.

Потери в транзисторах

Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах: статические, динамические, в цепи управления.

Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии, сопротивлением полупроводникового кристалла. Статические потери рассчитывают по формуле:

где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и среднеквадратичный ток соответственно.

Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.

Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.

В области частот 10-20 кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.

Применение igbt транзисторов в инверторе

Применение высоковольтных мощных полупроводников позволило создавать компактные производительные сварочные инверторы. Последним словом в этой области после MOSFET инверторов стали сварочные аппараты на IGBT транзисторах.

Полевые полупроводники

Используемые в инверторах полупроводники по MOSFET технологии – это полевые силовые транзисторы с изолированным затвором. Управление полупроводником осуществляется напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых током. Канал ключа имеет высокую проводимость 1 мОм. В закрытом виде у них огромное входное сопротивление.

Изначально полевые полупроводники использовались и до сих пор применяются как ключи. В схемах импульсных источников питания применяются полевики с индуцированным затвором. В таком исполнении при нулевом напряжении на затвор-исток канал закрыт.

Для открытия ключа требуется подать потенциал определенной полярности. Для управления ключом не требуется силовых источников. Данные полупроводники часто используются в источниках питания и инверторах.

Условное обозначение прерывистого сварного шва

Требования к прерывистости сварного соединения могут быть записаны в его обозначение на чертеже.

ГОСТ 2.312-72

позволяет записывать в обозначение вспомогательные знаки: «Шов прерывистый или точечный с цепным расположением» (далее «Шов с цепным расположением») или «Шов прерывистый или точечный с шахматным расположением» (далее «Шов с шахматным расположением») (рисунок 1).

ГОСТ 2.312-72. Сварные швы с шахматным и цепным расположением.

Рисунок 1

Согласно

ГОСТ 2.312-72

, требования к прерывистости сварного шва записывают в специальную секцию:

  • обозначения стандартного шва сварного соединения (рисунок 2);
  • обозначения нестандартного шва сварного соединения (рисунок 3).

ГОСТ 2.312-72. Обозначение стандартного шва с шахматным и цепным расположением.

Рисунок 2

ГОСТ 2.312-72. Обозначение нестандартного шва с шахматным и цепным расположением.

Рисунок 3

Для прерывистого шва Вспомогательные знаки «Шов с цепным расположением» и «Шов с шахматным расположением» позволяют определять длину провариваемого участка и размер шага.

На рисунке 4 схематично изображен односторонний сварной шов с цепным расположением и указанием длины и шага сварного шва.

Пример обозначения стандартного сварного шва: «ГОСТ 5264-80-Т1-50/100», где длина = 50, шаг = 100.

Рисунок 4

На рисунке 5 схематично изображен двусторонний сварной шов с цепным расположением и указанием длины и шага сварного шва.

Пример обозначения стандартного сварного шва: «ГОСТ 5264-80-Т3-40/120», где длина = 40, шаг = 120.

Рисунок 5

На рисунке 6 схематично изображен двусторонний сварной шов с шахматным расположением и указанием длины и шага сварного шва.

Читайте также:  Газовый манометр для настройки газовых котлов: выбор прибора для измерения давления газа и регулировки отопительного устройства

Пример обозначения стандартного сварного шва: «ГОСТ 5264-80-Т3-50Z100», где длина = 50, шаг = 100.

Рисунок 6

Шахматное расположение может быть только у двустороннего шва.

Для любого прерывистого шва длина всегда меньше чем шаг.

Ремонтируем сварочный аппарат TELWIN Force 165

Здесь будет рассмотрен ремонт сварочного инвертора TELWIN Force 165. Для тех, кто не знаком с устройством и схемотехникой сварочного инвертора, предлагаем сначала ознакомиться с материалами на эту тему, а именно:

В этих двух статьях на примере реального аппарата TELWIN Force 165 и принципиальной схемы сварочных инверторов TELWIN Tecnica 144-164 подробно описана электронная начинка и назначение каждого элемента схемы.

Но давайте вернёмся к нашему неисправному аппарату – сварочному инвертору TELWIN Force 165. По словам владельца, аппарат исправно работал, но вдруг, после небольшой передышки в работе напрочь отказывался выполнять свои обязанности. При попытке начать работу искра не появлялась, а изнутри корпуса доносился неестественный для штатной работы «гул» и «писк».

По словам владельца также было известно, что аппарат вроде как работал – был слышен шум вентилятора обдува, включался индикатор штатной работы. А это свидетельствует о том, что транзисторы инвертора исправны.

Читайте также:  Сварочный инвертор своими руками: схема самодельной инверторной сварки и как сделать аппарат?

Складывалось впечатление, что сварочный инвертор «уходит в защиту» — срабатывают внутренние защитные цепи, которые есть в составе любого импульсного агрегата, тем более такого мощного.

Поиск неисправности сварочного инвертора я начал нестандартно. Включать приборчик не стал.

Ранее я с такими приборами не сталкивался, и они были для меня в новинку. Поэтому первым делом вскрыл корпус и стал проверять мультиметром все доселе известные мне детали.

На печатной плате сварочного инвертора обнаружил знакомые элементы: вентилятор, мощный диодный мост (на него установлен радиатор), высоковольтные электролитические конденсаторы фильтра, фильтр EMC, ключевые мощные транзисторы инвертора (установлены на радиатор), импульсный трансформатор, электромагнитное реле…

Неприятным сюрпризом оказалось то, что поверхность печатной платы была залита каким-то лаком, который затруднял считывание маркировки SMD-элементов и микросхем.

Также были обнаружены защитные элементы. Один из них – термопредохранитель на 90 0 С. Он приклеен к радиатору диодного моста.

Насколько мне известно, такие термопредохранители срабатывают намертво, то есть если нагреются выше своей температуры срабатывания, то размыкаются навсегда. Похожие термопредохранители можно обнаружить в силовых трансформаторах. Там они включаются в цепь первичной обмотки и приклеиваются к ней. Защищают трансформатор от перегрева. Иногда можно ложно судить о том, что первичная обмотка трансформатора в обрыве, хотя стоит убрать (или замкнуть накоротко) этот самый термопредохранитель, как оказывается, что трансформатор исправен.

Поэтому первым делом проверил целостность термопредохранителя на 90 0 С. Он оказался исправен.

Кроме этого на одном из радиаторов, к которым крепятся мощные ключевые транзисторы инвертора, также есть температурный датчик. Внешне он очень похож на термовыключатель серии KSD, которые используются в термопотах, водяных нагревателях и прочей бытовой электротехнике.

Особенность этих термовыключателей в том, что их контакты вновь замыкаются, если температура опустится ниже определённого значения. Понятно, что этот температурный датчик отслеживает нагрев мощных ключевых транзисторов и, если есть перегрев, временно отключает работу сварочного инвертора. Как только радиаторы, а, следовательно, и транзисторы остынут, то аппарат вновь запустится, и будет работать в штатном режиме.

При проверке термовыключателя оказалось, что он также исправен. Ну, что ж, будем искать неисправность дальше.

После недолгих поисков, было решено проверить мощные выпрямительные диоды. На печатной плате они расположены рядком и надёжно прикручены к радиатору шурупами. На страницах сайта уже рассказывалось о том, как проверить диод.

Маркированы как 60CPH03. Это ультрабыстрые сдвоенные диоды VS-60CPH03.

После проверки оказалось, что ориентировочно неисправны все три сдвоенных диода. Но это всего лишь предположение, так как диоды впаяны в схему, и 100% утверждать, что именно они неисправны нельзя. Несмотря на это стало понятно, в каком направлении нужно «копать» дальше.

Разобраться в проблеме можно было бы и без схемы, но с ней интересней, тем более что под рукой оказалось руководство по ремонту сварочных инверторов TELWIN Tecnica 144-164, которые, честно говоря, мало чем отличаются по своему составу и схемотехнике от TELWIN Force 165. Если взглянуть на принципиальную схему, то можно заметить, что даже при пробое одного из сдвоенных диодов 60CPH03, все остальные диоды при проверке будут также «неисправными», если их не выпаять из платы и не проверить каждый в отдельности. Вот кусочек схемы — выходной выпрямитель.

Защита и охлаждение IGBT

Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.

Для снижения больших перенапряжений при переключениях используют настройки драйвера: напряжение на выходе управляющего устройства должно снижаться меньше, чем в обычных условиях работы модуля и выключение электронных ключей в 2 этапа. На первом в цепь затвор-эмиттер включается резистор, затем, при достижении номинального значения тока коллектора, модуль резко отключается.

Для снижения выравнивающих токов в цепи эмиттера ставят резистор номиналом до 0,1 от эквивалентного сопротивления транзистора.

При большой разнице в задержке переключения, применяют индуктивности для равномерного распределения тока в транзисторах. Их параметры рассчитывают по формуле:

Где U – напряжение на шине, ∆I – отклонение от среднего значения тока, Dt – разность времени переключения.

Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту.

Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения.

При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам. Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на 10-20 кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах. Инструменты и измерительные приборы также необходимо заземлить.

При разработке преобразователей на базе IGBT модулей требуется предусмотреть эффективное охлаждение. Для теплового расчета применяется эквивалентная схема устройства:

Расчет осуществляется по формуле:

где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала.

Модуль IGBT для преобразователя частоты

Со схемой управления IGBT-модули связываются при помощи драйверов, так как встроенных драйверов модули не имеют. Это специальные интегральные схемы, которые позволяют эффективно управлять затворами IGBT и выжать из них максимальную эффективность. Главное, для чего нужны драйверы – до предела снизить времена переключения IGBT, и, тем самым, приблизить их к идеальному ключу из учебников по электротехнике. Затем, согласовать их со схемой управления электрически, в том числе, обеспечить гальваническую развязку при необходимости.

igbt модуль для частотника

Если для усиления частотного преобразователя используются внешние модули IGBT, то остается только подключить к ним выходы драйверов. Ниже показана схема модуля для преобразователя частоты:

igbt модуль для частотника

Модуль крепится винтами на охлаждающий алюминиевый радиатор через теплопроводящую свинцовую пасту или специальные керамические прокладки. Эти поверхности должны лежать строго в одной плоскости и быть совершенно чистыми при сборке! Иначе не будет обеспечен достаточный теплоотвод. Кстати, о температуре. В модуль встроен термисторный датчик температуры (клеммы 22 и 23). Рабочая температура в модуле не должна превышать 100°C. Для снятия достаточного тока сделаны дополнительные петли на силовых контактах (модуль выполнен под пайку).

Контакты 1,2,3; 4,5,6; 7,8,9 подключаются к питающей трехфазной сети.

Контакты 38,39,40 являются плюсовой шиной сетевого выпрямителя, а контакты 41,42,43 – отрицательной.

Контакты 33,34,35 являются плюсовой шиной выходного инверторного моста, а контакты 30,31,32 – отрицательной. Последние четыре перечисленные группы, а также контакт 29, группа 36,37 образуют выходы для звена постоянного тока.

Контакты 10, 28 служат для подключения к драйверу, управляющему работой выходной фазы частотника. Аналогичную роль играют группы 14, 26 и 18, 24 для двух оставшихся фаз. Контакты 11, 12, 13 – это выход одной фазы инвертора, а группы 15,16,17 и 19,20,21 выходы двух остальных фаз.

Правильные временные диаграммы ШИМ и достаточная эффективность драйверов, которые должны справиться с зарядкой и разрядкой емкости затвора транзистора, – это залог того, что двигатель вообще будет вращаться и ничего не сгорит. Поэтому инверторный мост предварительно надо запитать от маломощного источника постоянного тока с ограничением тока и убедиться, при помощи осциллографа, в отсутствии сквозных токов, правильности “синусов”, формируемых мостом, правильном сдвиге фаз, на всех частотах, которые выдает преобразователь. Питание управления в частотном преобразователе также подается лабораторным способом.

Сигнал обратной связи по температуре модуля также должен быть корректным. Подогревая модуль каким-либо способом в пределах 20…80°C, необходимо контролировать его фактическую температуру точным термометром. Затем найти в меню преобразователя пункт с соответствующим параметром, проконтролировать его.

Если мы убедимся, что драйверы надежно управляют модулем, а сигнал обратной связи по температуре не содержит ошибок, то тогда можно делать монтаж, собирать звено постоянного тока и затем снова сделать проверку на двигателе небольшой мощности, через предохранители, рассчитанные на соответствующий ток, включаемые в каждую фазу.

Применение в сварке


Простой сварочный инвертор представляет собой импульсный источник питания. В однофазном инверторном источнике питания переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 или 60 Гц выпрямляется с помощью мощных диодов, схема включения мостовая.

Затем инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, но уже высокой частоты (от 30 кГц до 120 кГц). Проходя через понижающий высокочастотный трансформатор (преобразователь), напряжение понижается до нескольких десятков вольт. Потом этот ток преобразуется обратно в постоянный.

Все преобразования необходимы для уменьшения габаритов сварочного аппарата. Традиционная схема сварочного инвертора получалась надежной, но имела очень большие габариты и вес. Кроме этого, характеристики сварочного тока с традиционным источником питания были значительно хуже, чем у инвертора.

Передача электроэнергии на высокой частоте позволяет использовать малогабаритные трансформаторы. Для получения высокой частоты постоянный ток преобразуется с помощью высоковольтных, мощных силовых транзисторов в переменный частотой 50-80 кГц.

Для работы мощных транзисторов напряжение 220 В выпрямляется, проходя через мостовую схему и фильтр из конденсаторов, который уменьшает пульсации. На управляющий электрод полупроводника подается переменный сигнал с генератора прямоугольных импульсов, который открывает/закрывает электронные ключи.

Выходы силовых транзисторов подключаются к первичной обмотке понижающего трансформатора. Благодаря тому, что они работают на большой частоте, их габариты уменьшаются в несколько раз.

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

Наименование Корпус Диодов в корпусе Uобр макс., В Iср макс., A Uпрям макс. при токе, В tвосcт. макс., нс Tкристалла макс., °C
STTH20W02C TO-247 2 200 10 1,05 (10 А) 25 175
STTH30W02C TO-247 2 200 15 1,15 (15 А) 27 175
STTH60W02C TO-247 2 200 60 0,92 (30 А) 30 175
STTH200W03TV1 ISOTOP 2 300 200 1,15 (100 А) 50 150
STTH60W03C TO-247 2 300 30 1,15 (30 А) 35 175
STTH30W03C TO-247 2 300 15 1,4 (15 А) 25 175
STTH200W04TV1 ISOTOP 2 400 200 1,55 (100 А) 55 150
STTH61W04S TO-247 1 400 60 1,15 (30 А) 55 175
STTH100W04C TO-247 2 400 100 1,2 (50 А) 50 175
STTH200W06TV1 ISOTOP 2 600 200 1,3 (100 А) 75 150
STTH100W06C TO-247 2 600 100 1,15 (50 А) 75 175
STTH50W06S TO-247 1 600 50 1,75 (50 А) 45 175

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.

Мягкий пуск

Для питания блока управления инвертора применяется стабилизатор на микросхеме с радиатором. Напряжение питания поступает с главного выпрямителя через резистивный делитель.

При включении сварочного инвертора конденсаторы начинают заряжаться. Токи достигают таких больших величин, что могут сжечь диоды. Чтобы этого не произошло, используется схема ограничения заряда.

В момент пуска ток проходит через мощный резистор, который ограничивает пусковой ток. После зарядки конденсаторов резистор с помощью реле отключается, шунтируется.

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 про 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.

Кратко о MOSFET

Транзисторы серии кт825, 2т825

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Факторы, приводящие к выходу из строя сварочного инвертора

Ситуации, которые могут стать причиной выхода инвертора из строя или привести к нарушениям в его работе, можно разделить на два основных типа:

  • связанные с неправильным выбором режима сварочных работ;
  • обусловленные выходом из строя деталей устройства или их неправильной работой.

Методика выявления неисправности инвертора для последующего ремонта сводится к последовательному выполнению технологических операций, от самых простых – к наиболее сложным. То, на каких режимах выполняются такие проверки и в чем заключается их суть, обычно оговаривается в инструкции на оборудование.

Распространенные неисправности инверторов, их причины и способы устранения
Распространенные неисправности инверторов, их причины и способы устранения

Если рекомендуемые действия не привели к желаемым результатам и работа аппарата не восстановлена, чаще всего это означает, что причину неисправности следует искать в электронной схеме. Причины выхода из строя ее блоков и отдельных элементов могут быть различными. Перечислим наиболее распространенные.

  • Во внутреннюю часть устройства проникла влага, что может произойти, если на корпус аппарата попадают атмосферные осадки.
  • На элементах электронной схемы скопилась пыль, что приводит к нарушению их полноценного охлаждения. Максимальное количество пыли в инверторы попадает в тех случаях, когда они эксплуатируются в сильно запыленных помещениях или на строительных площадках. Чтобы не доводить оборудование до такого состояния, его внутреннюю часть необходимо регулярно чистить.
  • К перегреву элементов электронной схемы инвертора и, как следствие, к их выходу из строя может привести несоблюдение продолжительности включения (ПВ). Данный параметр, который необходимо строго соблюдать, указывается в техническом паспорте оборудования.

Следы попадания жидкости внутрь корпуса инвертора
Следы попадания жидкости внутрь корпуса инвертора

Источники

  • https://svaring.com/welding/apparaty/invertor-na-igbt-tranzistorah
  • https://FrezerMade.ru/oborudovanie-i-stanki/tehnologiya-igbt.html
  • https://spark-welding.ru/instrumenty-i-oborudovanie/igbt-tranzistory-dlya-svarochnogo-invertora-2.html
  • https://drives.ru/stati/modul-igbt/
  • https://melt-spb.ru/oborudovanie/svarochnyj-apparat-na-igbt-tranzistorah.html
  • http://chistotnik.ru/igbt-modul-dlya-chastotnika.html
  • https://www.compel.ru/lib/70140
  • https://electrod-svel.ru/oborudovanie/proverka-boem-primenenie-igbt-ot-st-v-sostave-invertorov-svarochnyh-apparatov-mma.html
  • https://BurForum.ru/metally-svarka/igbt-inverter.html

[свернуть]