Применение igbt транзисторов в инверторе

Введение

Энергосберегающие технологии на основе регулируемого электропривода все шире внедряются в различные отрасли промышленности и в транспортных средствах. В последнее время наиболее популярными и используемыми силовыми ключами для преобразователей частоты асинхронных двигателей стали IGBT-модули. Общеизвестно, что использование в схемах преобразователей быстродействующих полностью управляемых мощных ключей на основе IGBT позволяет преобразовывать электроэнергию на высоких частотах, снизить общие потери в преобразователях, применить современные системы управления, снизить массу и габариты устройств.

Конструкция и параметры IGBT-модулей постоянно совершенствуются, повышается устойчивость и «живучесть» модулей при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах. Однако как показывает опыт работы с потребителями, многие разработчики и изготовители аппаратуры не учитывают некоторые особенности этих приборов, что зачастую приводит к неправильной эксплуатации IGBT-модулей и выходу их из строя.

В статье приведены результаты исследований причин выхода их из строя, выявленные при испытаниях или при эксплуатации потребителями. Мы постарались не только перечислить наиболее частые случаи, но и описать характерные признаки повреждения модулей. Одним из главных моментов публикации является также описание мер безопасности при применении IGBT-модулей.

Во всех случаях, когда речь идет не о механическом или электростатическом повреждении IGBT, все выходы модулей из строя происходят из-за теплового воздействия, разными являются только причины такого воздействия.

Рис. 1. Схема трехфазного инвертора

Чаще IGBT-модули используются в инверторах, где транзисторы соединены по схеме полумоста (рис. 1), и импульсных источниках питания, где используются IGBT-модули, собранные по схеме чоппера (рис. 2).

Рис. 2. Схема импульсного источника питания

Рассмотрим наиболее распространенные случаи выхода IGBT-модулей из строя в этих схемах.

Возможно, вам также будет интересно

Такой ключ реализуется в виде синхронизированных выключателей или разрядников, однако наиболее приемлемым вариантом считается тиристорый двунаправленный вентиль (рис. 1), что предполагает последовательное включение тиристоров. Управление данной процедурой выполняется следующими способами: Оптотиристоры с оптическими световодами, но подобный метод существенно удорожает установку. Кабельно-трансформаторная система управления. Для каждого тиристора в цепи управления имеется выпрямитель, подключаемый к вторичной обмотке трансформатора тока. Все трансформаторы нанизываются

Введение Не зря древние говорили: «Per crucem ad lucem» («Через крест к свету»). Это верно у светоизлучающих диодов (СИД) очень сложная, но увлекательная история. Трудно назвать другую область современной науки и техники, которая оказывала бы сейчас столь же сильное воздействие на развитие экономики и науки, как полупроводниковая электроника. Подобно тому, как изобретение транзистора Уильямом

При измерении «глазковых» диаграмм с помощью осциллографов на результат влияет множество факторов, таких как тактовая частота и время нарастания сигналов потока последовательных данных, полоса пропускания и неравномерность АЧХ осциллографа, ФЧХ осциллографа и т. д. Данная статья подробно рассматривает влияние именно ФЧХ или ГВЗ, которое более сложно для понимания и учета, чем влияние АЧХ, но не менее важно.

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.

Основные виды неисправностей

Существует довольно много неисправностей, которые приводят к неработоспособности сварочного инвертора. Прежде всего, это случаи, когда при наличии необходимого входного напряжения электрический ток на выходе инвертора отсутствует. Возникновение такой неисправности связано с перегоранием предохранителей. В некоторых случаях она может возникать по причине нарушения целостности электроцепи, которая может появиться в любой зоне инвертора.

Другим видом неисправности является недостижение сварочным током нужных значений даже при максимальных установках. Основной причиной возникновения такой неисправности сварочного инвертора может быть недостаточная величина входного напряжения. Также причиной подобной неполадки могут быть потери, возникшие в контактных зажимах.

Если при выполнении работ с использованием сварочного инвертора часто происходит самопроизвольное отключение оборудования, то это говорит о наличии короткого замыкания в электрической цепи.

Также это может указывать на сильный перегрев элементов силового блока. При этом в нормальном режиме может работать система защиты, благодаря которой обеспечивается аварийное отключение.

Порядок проведения ремонта сварочного инверторного оборудования

Вне зависимости от неисправности, с которой столкнулся специалист, использующий сварочный инвертор, ремонт необходимо начинать с внешнего осмотра агрегата. Он поможет определить наличие на корпусе механических повреждений или следов от короткого замыкания в виде прожогов или почернения. После этого необходимо проверить, насколько надёжно закреплены в клеммах электрокабели.

Вне зависимости от результатов проведённой проверки следует выполнить подтягивание зажимов кабеля при помощи отвёртки или ключа. Также нелишним будет выполнить проверку целостности предохранителей, используя для этого тестер.

Если после проведённых манипуляций неисправность не устранена, то необходимо снять крышку корпуса инверторного оборудования. После этого нужно тщательно осмотреть внутренности агрегатов с целью выявления обрывов электрических цепей. В процессе осмотра необходимо искать следы воздействия короткого замыкания.

Чтобы быстрее найти причину неисправности, можно выполнить измерение величины выходного напряжения, а также силы входного тока. Для выполнения измерительных работ необходимо использовать тестер или мультиметр.

Если явная неисправность сварочного оборудования отсутствует, то в этом случае выполняется поблочный контроль целостности электрической цепи. Выполнение проверки начинается с блока питания, постепенно переходя к осмотру других блоков.

Ремонт силового блока инверторного оборудования

Для качественного устранения неисправностей нужно основательно подготовиться к ремонту, при проведении которого в обязательном порядке должен использоваться определённый набор инструментов. Выполняя проверку и ремонт сварочных инверторов, у специалистов часто возникает необходимость в использовании специальных инструментов и измерительных приборов:

• плоскогубцы;
• паяльники 40 Вт;
• отвёртка;
• гаечный и торцовый ключ;
• нож;
• кусачки;
• амперметр на 50 и 250А;
• вольтметры на 50В в 250В;
• осциллограф.

Выполнив проверку силового блока и блока управления сварочного инвертора, необходимо в первую очередь проверить основные их элементы. Если говорить о неисправностях силового блока, то наиболее распространённым является выход из строя силового транзистора. Поэтому поиск неисправности в этом блоке следует начинать именно с него.

Транзистор — что это и какие бывают

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.

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

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.

Решение

Схема выходного каскада оказалась другой. После «прозвонки» с составления реальной схемы нашел что демфирующий диод в транзисторе нужен.

Для комментария нужно войти или зарегистрироваться

Основные характеристики

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

• Максимально допустимый ток.
• Показатель управляющего напряжения.
• Внутреннее сопротивление.
• Период задержки подключения и выключения.
• Паразитная индуктивность.
• Входная и выходная емкость.
• Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
• Ток отсечки эмиттера.
• Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.

Общая информация

Сварочный инвертор (именно инвертор, а не инвентор, как путают многие сварщики) — это разновидность сварочного оборудования. Всего выделяют четыре группы сварочных аппаратов: трансформаторные, топливные сварочные генераторы, выпрямители и, конечно, сварочные инверторы. Остальные приборы (например, полуавтомат или САК) являются лишь разновидностью одной из четырех групп.

Задача любого сварочного прибора — это легкая генерация сварочной дуги и поддержка ее стабильного горения. Инверторы отлично справляются с этой задачей, оставаясь простыми и понятными в эксплуатации. Аппараты инверторного типа завоевали свою популярность лишь в 21 веке, поскольку производители научились изготавливать недорогие модели для бытового применения. И на данный момент инвертор — это самый популярный тип сварочного оборудования в мире.

Чем же инвертор так понравился многим сварщикам? Дело в том, что в основе инвертора лежит силовой трансформатор нового поколения, который имеет существенной меньшие габариты и вес, чем трансформаторы из прошлого столетия. Благодаря такой особенности инженеры смогли создать самые маленькие сварочные аппараты весом не более 5 кг, которые при этом снабжены набором дополнительных функций (например, «горячий старт» или «форсаж дуги»).

Применение инверторных аппаратов позволяет варить даже новичку без опыта, поскольку встроенные функции упрощают сварочный процесс. При этом возможна плавная регулировка силы сварочного тока и детальная настройка режима сварки. Не удивительно, что инверторы стали настолько популярны и их даже начали собирать своими руками.

Модули IGBT

Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.

Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.

Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно.

В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах. При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

• К — коллектор.
• Э — эмиттер.
• З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

https://youtube.com/watch?v=QhQ_X_332cU

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Основные характеристики сварочного шва

Различают геометрические и технологические параметры сварного шва. К геометрическим относят размеры в поперечном сечении — ширину, толщину и высоту над основной         плоскостью. На виды сварочных соединений влияют также и технологических параметры: катет и корень в стыке, его выпуклость/вогнутость, а также соотношение объема металла шва к общей площади сварного стыка.

Виды сварочных швов, в частности, ширина, высота и толщина, зависят от требуемых прочностных показателей соединения. Такая зависимость не является однозначной: чрезмерно массивный шов, наоборот, снижает качество соединения, поскольку сцепление зон наплавки и механического сплавления ослабляется, а качество поверхности может ухудшиться из-за наличия сварочного грата, а также интенсификации процессов окисления и обезуглероживания материала деталей.

Классификация сварных швов и форма их поверхности важны и с точки зрения долговечности готовых конструкций. Вогнутые швы, оформляемые по параболической зависимости высоты шва от его толщины, снижают уровень внутренних напряжений и минимизируют остаточные деформации. Наоборот, ровные швы, когда сохраняются острые углы при переходе от одной поверхности к смежной, уровень остаточных напряжений и деформаций повышают.

Оптимизацию формы поперечного сечения сварочного соединения можно производить при помощи следующих практических коэффициентов:

• Для наилучшего соотношения ширины к высоте — 1,2-1,5;
• Для наилучшего соотношения ширины к выпуклости — не более 8;
• Для наилучшего соотношения площадей поверхности шва к площади металла в зоне соединения — 0,85-1,0.

Глубина провара определяет однородность структуры в зоне соединения. Она принимается в пределах 0,5-0,8 (при меньших значениях ухудшается прочность сварного стыка, а при увеличенных — возрастает опасность проплавления).

Количество проходов зависит от способа разделки кромок и толщины соединяемых элементов. При увеличенных зазорах и обычном профиле кромок (со скосом) количество проходов и амплитуду колебаний горелки приходится изменять, что повышает уровень внутренних сварочных напряжений. Проблема (для сварки толстых листов) снимается оптимизацией формы подготовки кромок.

Классификация сварочных швов основывается на технологии их образования, соотношении геометрических размеров и последовательности выполнения сварки.

1. Скорость переключения ниже, чем у силовых MOSFET и выше, чем у биполярных транзисторов. При закрывании транзистора ток коллектора имеет хвост за счет небольшой проводимости, вызванной малой скоростью закрывания.

2. Возможность «защелкивания» из-за внутренней тиристороподобной PNPN-структуры.

IGBT-структура пригодна для повышения значения запирающего напряжения (напряжение отсечки). В случае силовых MOSFET с увеличением напряжения отсечки резко растет сопротивление канала транзистора в открытом состоянии из-за увеличения удельного сопротивления и ширины области дрейфа носителей заряда, необходимой для поддержания высокого рабочего напряжения.

По этим причинам обычно избегают разрабатывать силовые MOSFET, рассчитанные на большой допустимый ток, с высоким значением запирающего напряжения. Напротив, для IGBT удельное сопротивление области дрейфа носителей заряда существенно уменьшается за счет высокой концентрации инжектированных носителей заряда вызванных протеканием тока в открытом состоянии. Прямое падение напряжения на области дрейфа начинает зависеть от ее толщины и не зависеть от начального удельного сопротивления.

Монтаж модулей IGBT

Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см.

Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов растворителем.

Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений.

Крепление силовых моделей осуществляют в следующем порядке:

• Фиксируют корпус двумя диагональными болтами.
• Наносят теплопроводящий материал.
• Затягивают болты по диагонали (рекомендованное усилие 0.5 Нм ± 15%).
• Выдерживают полчаса для заполнения пустот теплопроводящей пастой.
• Затягивают болты с усилием 3-5 Нм.

Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла.

При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Технические компоненты

Общая структура работы такого устройства простая, и включает в себя основной источник тока, опциональный элемент выпрямителя для выходного тока, общий блок управления.

Качественный источник тока может быть полностью реализован на базе трансформаторной технологии или исключительно на базе инверторной системы, где силовые транзисторы для сварочных инверторов играют важную роль качественной работоспособности устройства.

Для трансформаторных установок допускается самостоятельное ручное регулирование работы прибора, но среди недостатков выделяется грубый режим регулировки, низкий уровень качества сварного шва. Инверторные установки, наоборот, имея самый простой сварочный инвертор на одном транзисторе обеспечивают высокое качество образования шва, которые сочетаются с силовыми полупроводниковыми элементами.

Транзисторы для инверторов

Основными техническими компонентами, обеспечивающие высокое качество сварочных работ, является наличие IGBT-транзисторов, а также универсальных быстродействующих диодов. В этом случае возникает резонный вопрос, как проверить IGBT транзистор сварочного инвертора. Укажем основные данные транзисторных компонентов для сварки версии IGBT

Тип	Характеристика
V	Сверхнизкая энергия осуществления выключения, работа до 600 В, частота до 1200 кГц
НВ	Малое напряжение насыщенного принципа воздействия. Низкая энергия выключения. Напряжение до 650 Вольт, частота до 50 кГц
Н	Низкий эффект режима выключения. Напряжение подачи – до 1200 вольт, частота до 35 кГц.
М	Низкое напряжение режима насыщения, напряжение сети до 1200 Вольт, частотный параметр – до 20 кГц
W	Режим малого прямого падения напряжения, и минимальный режим эффекта восстановления работоспособности.

Особенности работы транзисторных узлов

Наиболее частая схема применения внутри инверторов используется по технологии push-pull, мостовой принцип функционирования, полумостовой вариант рабочего инвертора, полумостовой комплексный несимметричный вариант исполнения инверторного прибора или косой полумост. Несмотря на достаточное обилие топологий, замена транзистора FGH40N60 в сварочном инверторе по общим требованиям является стандартным, куда включается следующее:

• Высокий режим напряжения. Для эффективной замены транзисторов в сварочных инверторах, общие данные сети напряжения должны быть выше 600 Вольт.
• Большие параметры коммутационных токов. Среднее значение показателя должен быть не менее десятков ампер, а максимальные параметры могут показывать отметку за сотни Амперов.
• Режим высокой частоты переключения. В зависимости от габаритов трансформатора внутри прибора, можно увеличить частоту прибора, а также индуктивность для модели выходного фильтра.
• Для режима минимизации потерь на включение и выключение агрегата, можно узнать, как проверить транзисторы сварочного инвертора, при помощи малого значения подачи энергии на режим включения (Евкл), а также на режим выключения (Евыкл). В данном случае будут минимизированы все потери.
• Для минимизации возможных потерь, используем низкое значение для напряжения режима насыщения, или Uкэ нас.
• Жесткий эффект коммутации, должен быть стойкий для транзисторов для сварочных инверторов Ресанта. Инверторное оборудование в данном случае работает только с индуктивным режимом нагрузки.
• Параметры короткого замыкания. Аппарат должен иметь режим стойкости для данного параметра, эти сведения являются исключительно критичными для мостовых и полумостовых вариантов инверторной техники.

Как рассчитать потерю мощности на IGBT?

Рекомендуем для детального расчёта правильного выбора транзисторных систем использовать ниже приведённую схему.

Параметры	Значения
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)

Все эти данные помогут вам правильно рассчитать нужный тип транзистора для инверторного сварочного аппарата. При выборе транзистора учитываем обязательно параметр для высокого порога возможного напряжения работы устройства.

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.

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

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.

Узлы, пригодные к модернизации

Важнейший параметр любого сварочного аппарата — вольт-амперная характеристика (ВАХ), за счёт неё и обеспечивается стабильное горение дуги при разной её длине. Правильная ВАХ создаётся микропроцессорным управлением: маленький «мозг» инвертора на ходу меняет режим работы силовых ключей и мгновенно подстраивает параметры сварочного тока. К сожалению, каким либо образом перепрограммировать бюджетный инвертор нельзя — управляющие микросхемы в нём аналоговые, а замена на цифровую электронику требует незаурядных знаний схемотехники.

Однако «умений» управляющей схемы вполне достаточно, чтобы нивелировать «криворукость» начинающего сварщика, ещё не научившегося стабильно удерживать дугу. Гораздо правильнее сосредоточиться на устранении некоторых «детских» болезней, первая из которых — сильный перегрев электронных компонентов, ведущий к деградации и разрушению силовых ключей.

Вторая проблема — использование радиоэлементов сомнительной надёжности. Устранение этого недостатка сильно снижает вероятность возникновения поломок через 2–3 года эксплуатации аппарата. Наконец, даже начинающему радиотехнику будет вполне по силам реализовать индикацию фактического сварочного тока для возможности работы со специальными марками электродов, а также провести ряд других мелких доработок.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

• Высокая частота переключения.
• Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
• Более низкая емкость затвора.
• Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
• Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль:

• Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
• Лучшая устойчивость к перегрузкам.
• Улучшенная способность распараллеливания схемы.
• Более быстрое и плавное включение и выключение.
• Снижение потерь при включении и при переключении.
• Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Форум по обсуждению материала MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Высококачественный усилитель для электрогитары — полное руководство по сборке и настройке схемы на JFET и LM386.

Источник постоянного тока (CC) из понижающего регулятора напряжения (CV). Доработка готового модуля.

Как работает литий-ионный аккумулятор и чем он отличается по физико-химическим свойствам от других типов. Занимательная теория.