Модуль igbt для частотного преобразователя, эксплуатация на практике

На чтение: 17 минРубрика: Инструменты и оборудование

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.

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.

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.

Инверторный ИБП

Абсолютное большинство электроприборов в России, которые современный человек использует каждый день, рассчитаны на напряжение 220В-230В.

Химические источники напряжения, аккумуляторы, способные хранить заряд электричества в течении длительного времени, обеспечивают постоянное напряжение, слишком низкое для питания бытовой техники: 2 вольта, 6 вольт, 12В и т.д. Инверторы преобразуют постоянное напряжение от аккумуляторов в переменное 220В или 230В в зависимости от конструкции и настроек. На этом основана работа всех ИБП!

Видео что такое иверторный бесперебойник и как он работает

Время автономной работы бесперебойника, будет пропорционально количеству и емкости подключенных ко входу инвертора аккумуляторов. Но есть и другие факторы влияющие на время работы- Подробнее прочитать можно здесь.

Аккумуляторы могут хранить запас электрической энергии в течении длительного времени что позволяет держать в запасе большой объем накопленной электроэнергии для аварийных ситуаций, накопленный в АКБ.

При пропадании электричества на вводе в распределительный щит автоматика инвертора мгновенно перебросит питание подключенных к выходу инвертора электроприборов на аккумулятор (через электронную схему, преобразующую постоянное напряжение 12 Вольт, в переменное 220 В с заданной частотой (Гц)).

В онлайн системах переключение отсутствует-Подробнее можно прочитать здесь.

Главные преимущества электрических инверторов:

Это экологическая безопасность (отсутствие вредных загрязнений окружающей среды)
Низкий шум при работе, имеют низкий уровень шума вентилятора охлаждения в разы по сравнению с электростанциями…
Не требуют, заправки топливом и постоянного технического обслуживания.
Имеют высокий КПД, и низкую стоимость эксплуатации, привязанную к стоимости электроэнергии.
Непрерывное питание, отсутствует пауза (как в электростанциях), при переключении на батареи.
Возможность увеличивать время автономии путем наращивания количества батарей.

Основные области применения инверторов:

1) ИБП для котлов (ИБП для газовых котлов)

2) ИБП для насосов (ИБП на длительное время резерва)

3) Источник бесперебойного питания для систем сигнализации и видеонаблюдения (ИБП для систем сигнализации и видеонаблюдения)

Пример применения в частном доме:

Рассмотрим модель ECOVOLT PRO 1012 .

Мощность нагрузки 1000 Вт при значении параметра cos =0.8 позволяет подключить электрооборудование суммарной мощностью 1 кВт.

Приблизительный расчет мощности нагрузки может быть такой:

Газовый котел с обвязкой – 300 Вт.
Циркуляционный насос 70 Вт,
Аварийное освещение – 300 Вт,
Телевизор – 200 Вт

(значения мощности электроприборов могут отличаться от приведенных здесь, точные значения можно получить из паспорта оборудования).

Пробой при измерениях параметров IGBT-модулей в условиях потребителей

Для исключения вероятности монтажа неисправных элементов и повышения надежности преобразователя многие потребители организуют входной контроль комплектующих, в том числе и IGBT-модулей. При этом специалисты, ранее работавшие с обычными биполярными транзисторами, зачастую проводят измерения параметров аналогичными методами, не учитывая особенности IGBT. Бывали случаи, когда потребители, нарушая методики измерения обратного напряжения «коллектор-эмиттер» и тока утечки коллектора, подавали на транзистор напряжение при подключенном высокоомном (200–500 кОм) резисторе между затвором и эмиттером или вовсе при разомкнутой цепи затвор-эмиттер.

В IGBT между коллектором и затвором имеется паразитная емкость Миллера, которая при отсутствии предупредительных мер оказывает сильное влияние на затвор. Поэтому при контроле напряжения пробоя и тока утечки в цепи коллектор-эмиттер затвор должен быть закорочен с эмиттером. Если этого не сделать, то при приложении напряжения к коллектору на затвор через указанную емкость наводится напряжение, которое при достижении порогового значения включает транзистор (при этом он открывается не полностью и остается в активном режиме). IGBT-ключи не предназначены для работы в активном режиме, так как в этом случае они имеют сильную положительную температурную зависимость тока коллектора. Подобный эффект приводит к шнурованию тока через транзистор и локальному тепловому пробою. Если в цепь «затвор-эмиттер» подключен резистор с высоким сопротивлением, он также не может компенсировать наведенный емкостной ток. Поэтому измерение обратного напряжения и тока утечки цепи «коллектор-эмиттер» необходимо проводить только при закороченной металлической перемычкой цепи «затвор-эмиттер».

Еще один вид выхода из строя при входном контроле — перегрев модулей при измерении напряжения насыщения и прямого падения напряжения на диоде. Для проверки указанных параметров на некоторых предприятиях были организованы измерения на постоянном токе. Конечно, из-за перегрева приборы выводят из строя. Во избежание этого контроль параметров, связанных с большими токами, должен производиться импульсными методами. Длительность импульсов тока должна быть достаточной для завершения переходных процессов в приборах и проведения измерений. Потребители, проводившие измерения статических параметров на постоянном токе, естественно, столкнулись с тем, что параметры «плывут» в результате разогрева структуры. Длительное протекание постоянного тока через модуль в некоторых случаях (при измерениях без хорошего охлаждения) привело к перегреву модуля и выходу из строя (рис. 5).

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.

Общие сведения о приборе

Величайшее открытие Николы Теслы сегодня используется человечеством повсюду. Большинство приспособлений в каждом доме предназначены для работы от источника постоянного тока, но от розеток идет переменный. Именно поэтому почти всегда требуется специальное устройство или выпрямитель, который будет преобразовывать AC в DC.

Инвертор же выполняет совершенно противоположную функцию. Можно рассмотреть его работу на примере обычного фонарика. Прибор небольшой и питается от встроенного аккумулятора, который становится источником постоянного тока. Если извлечь его из приспособления, перевернуть другим полюсом и снова установить, разницы в работе или в качестве освещения не будет заметно. Однако электричество будет протекать по-другому.

Такой процесс можно сравнить с механическим преобразователем, когда человеческие руки поворачивают аккумулятор со скоростью 50−60 раз в секунду. Конечно, приборы, которые можно приобрести в специализированных магазинах, работают несколько иначе. Для постоянного изменения направления движения электронов используются магнитные переключатели. Однако такая конструкция только у приспособлений механического типа.

Электронные инверторы меняют направление плавно, исключая резкие перепады напряжения. Второй тип считается более предпочтительным вариантом, поскольку постоянные скачки напряжения отрицательно отражаются на функционировании некоторых электроприборов. Конструкция таких инверторов оснащена специальными индукторами и конденсаторами. Эти детали смягчают поток энергии на входе и выходе, за счет чего и образуется плавный источник питания для электроприборов.

В некоторых случаях инверторы применяются для трансформаторов с целью преобразования источника переменного тока на более высокую или низкую частоту в зависимости от нужд конкретного потребителя. Стоит отметить, что выходная мощность всегда меньше входной. Это необходимо для нормального функционирования устройств. Любой трансформатор или инвертор не может выделять больше энергии, чем потребляет, поскольку некоторая ее часть теряется.

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.

Подведем итог

В завершение нашей статьи хочется порекомендовать новичка в сварочном деле не волновать о выборе транзисторов. MOSFET сравнительно дешевле в ремонте и для вас будет привести его в рабочее состояние намного легче.

А если вы мастер сварочного дела, то конечно для работы вам будет нужно IGBT инвертор. Разумеется, их обслуживание будет дороже, но зато есть возможность использовать больше мощности.

В любом случае, какой бы прибор вы не выберите, современный и компактный инвертор будет помогать вам при выполнении любых сварочных работ.

Дополнительные функции помогут даже абсолютному новичку почувствовать себя мастером сварочных работ. Конечно, инверторный сварочный прибор намного сложнее чем классический трансформатор.

Рейтинг

( Пока оценок нет )

Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.

Добавить комментарий

Транзисторы для сварочных инверторов: всё, что вам нужно знать

На чтение: 25 минРубрика: Сварка

Предельные режимы диодов в выпрямительном и инверторном режимах

Режим рекуперации энергии в сеть, как правило, обеспечивается с помощью 4-квадрантного (4Q) преобразователя, состоящего из двух идентичных конвертеров — сетевого LSC (Line Side Converter) и выходного MSC (Machine Side Converter). В зависимости от направления потока энергии диоды в схеме работают в выпрямительном или инверторном режиме и, соответственно, испытывают разную нагрузку при передаче одной и той же мощности.

Рис. 5. Базовая схема стойки инвертора с IGBT и оппозитными диодами, эпюры токов и напряжений

В инверторном режиме энергия из ЗПТ направляется в трехфазную АС-нагрузку, например электродвигатель. В выпрямительном режиме поток энергии из трехфазной питающей сети поступает в ЗПТ. В этом случае конвертер работает как импульсный выпрямитель, подключенный к сети переменного тока или генератору. Хотя средняя передаваемая мощность при этом одна и та же, потери силовых полупроводников будут разными, поскольку отличается фазовый сдвиг между током и напряжением основного сигнала. Сказанное поясняется с помощью базовой схемы, показанной на рис. 5, где возможны следующие состояния:

при положительном значении Voutи iL > 0 ток идет через IGBT Т1;
при отрицательном значении Voutи iL > 0 ток идет через диод D2;
при положительном значении Voutи iL< 0 ток идет через диод D1;
при отрицательном значении Voutи iL< 0 ток идет через IGBT Т2.

Статические потери IGBT и диода при определенном значении эффективного тока зависят от разницы фаз тока и напряжения (cos j) и коэффициента модуляции m, определяемого в свою очередь коэффициентом заполнения импульсов. В инверторном режиме справедливо соотношение 0 ≤ m × cos j ≤ 1, рассеяние мощности в полупроводниках достигает своего предела при m × cos j = 1. В этом случае максимальными оказываются потери проводимости и общие потери в IGBT, а у диодов они минимальны. Для выпрямительного режима 0 ≥ m × cos j ≥ 1, при m ×cos j = –1 в диодах рассеивается максимальная мощность, а потери IGBT, соответственно, минимальны. Применительно к кривым, показанным на рис. 5, эта ситуация соответствует режиму, когда импульсный выпрямитель преобразует чисто активную мощность сети (на частоте основной гармоники) и нейтраль соединена со средней точкой DC-шины. Все описанные выше соотношения графически проиллюстрированы на рис. 6.

Рис. 6. Статические и динамические потери IGBT и оппозитного диода в преобразователе частоты

При определенных значениях напряжения DC-шины и выходного тока потери переключения полупроводниковых приборов почти линейно зависят от частоты коммутации (рис. 6)

Для IGBT/MOSFET-модулей со встроенными диодами в инверторном режиме работы наиболее важно определить максимальную величину мощности, которая может быть рассеяна при номинальном токе (cos j = 0,6…1). Поскольку потери проводимости и их общий уровень у диодов меньше, чем у транзисторов, они разрабатываются с учетом соотношения PDIGBT: PDDiode≈ 2…3:1

Однако при использовании конвертера в режиме импульсного выпрямителя анализу мощности, рассеиваемой диодами, следует уделить особое внимание

Устройство сварочного инвертора: описание работы и назначение блоков на базе схемы РЕСАНТА САИ 140

У каждого производителя принципиальные схемы инверторных сварочных аппаратов разные. Мало того, даже разные линейки одного и того же производителя могут существенно отличаться. Но устройство сварочного инвертора имеет общие черты. Блоки те же. Просто собраны смогут быть по-разному. Это входной выпрямитель на базе мощного диодного моста и сглаживающих конденсаторов, инвертор — на ключевых транзисторах (тип IGBT или MOSFET) и выходной выпрямитель на базе высокочастотного понижающего трансформатора и диодного моста с выходным конденсаторным фильтром.

Принципиальная схема инверторного сварочного аппарата РЕСАНТА САИ 140

Далее рассмотрим, как работает сварочный аппарат, основываясь на схеме инверторного сварочного аппарата РЕСАНТА САИ 140. Он не лучше и не хуже остальных, просто есть его схемы.

Первичный выпрямитель и конденсаторный фильтр

Задача первичного выпрямителя — . В реалии он получается не совсем постоянным, а с некоторой пульсацией, но это уже явно не синусоида. Реализуется это обычным диодным мостом, который «переворачивает» нижнюю полуволну синусоиды.

Как работает сварочный инвертор: первая ступень преобразования напряжения в Ресанта САИ 140

Сетевое напряжение через входную стабилизирующую группу попадает на конденсаторы С1 и С2. Основная задача — снятие статического напряжения на землю. Именно поэтому включать инверторную сварку крайне желательно в розетку с действующим заземлением, а не просто с имеющимся контактом.

Далее, диодный мост «переворачивает» нижнюю полуволну. На его выходе получается пульсирующее напряжение. Для сглаживания пульсаций ставят конденсаторы (в приведенной схеме это конденсатор С8 ёмкостью 1 микрофарад на напряжение 400 В ). На их выходе напряжение уже постоянное. Конденсаторы стоят с солидным запасом по напряжению — 400 Вольт и выше, так как на выходе диодного моста напряжение уже больше чем сетевое — порядка 320-350 В. А если учесть еще возможные скачки… вот и ставят с запасом — на 400 В.

И конденсаторы, и диоды при работе сильно греются. Для лучшего отвода тепла их монтируют на алюминиевые радиаторы. Часто еще делают дополнительный обдув — ставят вентилятор. Если вы хотите, чтобы сварочный аппарат прослужил долго, следите за тем, чтобы кулер был в рабочем состоянии.

Инвертор

Блок инвертора преобразует постоянное выпрямленное напряжение низкой частоты в переменное напряжение высокой частоты. Реализуется обычно на ключевых транзисторах, которые открываются и закрываются с большой частотой. Именно они формируют переменное напряжение с частотой в десятки килогерц. Управляет их переключением контроллер.

Силовые транзисторы G30N60, при помощи которых преобразуется постоянный ток в высокочастотный переменный

На выходе инвертора получаем не синусоиду, а практически прямоугольные импульсы. Но для дальнейшего выпрямления это не проблема. Зато частота высокая, что значит, что вторичный выпрямитель можно сделать на небольшом по размеру трансформаторе.

Выпрямление и стабилизация

Полученное высокочастотное напряжение подается на высокочастотный трансформатор. Напряжение на нем понижается, ток увеличивается. Через его первичную обмотку протекает высокое напряжение небольшой силы тока, а со вторичной снимается более низкое напряжение, но сила тока уже порядка 150-220 ампер — в зависимости от мощности и класса аппарата.

Выходное преобразование напряжения перед подачей на электрод

Для получения постоянного напряжения на выходе трансформатора стоит диодный мост. Он выдает уже практически постоянное напряжение, которое «доглаживается» выходными конденсаторами и идет на сварочный электрод. Диоды на выходном мосту стоят особые — с высокой скоростью срабатывания (не более 40-55 наносекунд). Они должны сглаживать напряжение частотой в десятки килогерц, так что скорость срабатывания должна быть очень высокой. Если в процессе ремонта возникла необходимость их замены, то надо подбирать именно с высоким быстродействием. Иначе работать аппарат не будет.

Остальные блоки на схеме — это как раз управление, «дополнительные опции» типа защит от перегрева и залипания электрода.

Классификация устройств

Существует множество моделей инверторов. Они могут быть массивными и оснащенными специальными аккумуляторами. Выпускаются портативные модели, которые имеют небольшие размеры и используются в разных целях. Разделяют приспособления и по мощности, которую они потребляют и производят. Этот параметр считается основным при выборе, особенно если необходим высокий показатель, например, на производстве.

Стоит отметить, что даже самые мощные инверторы не предназначены для длительного функционирования на максимальных показателях. В зависимости от принципа действия устройства делятся на следующие:

зависимые, которые работают только от сети;
автономные, оснащенные аккумулятором;
инверторы напряжения и тока.

Каждый из вариантов имеет свои преимущества. Например, автономные подойдут любым устройствам и могут выручить в сложной ситуации. Солнечные экономят электроэнергию, а зависимые не нуждаются в подзарядке или других условиях, чтобы функционировать. В ночное время солнечная батарея неуместна и не сможет служить владельцу, поэтому такие модели выбирают редко.

Существуют также универсальные устройства, которые могут работать от сети и в автономном режиме, но не одновременно. Недостатком таких приборов будет большой размер, поскольку для обеспечения функционирования в двух режимах необходимо оснастить агрегат дополнительными деталями.

Приборы, которые устанавливались до 1970 года, использовали в работе специальные ртутно-дуговые клапаны. Современные модели обычно твердотельные и считаются более эффективными и безопасными.

Возможно, вам также будет интересно

Эволюция технологий: биполярные транзисторы, MOSFET и IGBT Биполярный транзистор (БТ) был единственным «реальным» силовым ключом до тех пор, пока в 1970‑х годах не появилась технология MOSFET. Для включения биполярного транзистора требуется высокий базовый ток, БТ имеет относительно медленные характеристики выключения (этот эффект известен как токовый «хвост», ему свойственен тепловой пробой вследствие отрицательного температурного коэффициента). Минимально достижимое падение напряжения в открытом

Окончание. Начало в № 6 2010 Маркерные измерения В дальнейших экспериментах нам потребуется достаточно точный цифровой генератор сигналов, например Tektronix AFG 3000 . Подключите выход генератора к входу анализатора. Будьте внимательны: генератор может развивать недопустимо большой сигнал! Установите генерацию треугольного сигнала с частотой 1 МГц и двойной амплитудой 1 В. Включите выход генератора кнопкой Chanel

Это третья статья из цикла, посвященного применению микропроцессорного IP-ядра 8051s для ПЛИС фирмы Microsemi. Ранее было рассмотрено построение аппаратной части системы на основе 8051s с использованием IP-ядер, поставляемых в составе САПР Libero. Теперь мы попробуем создать простейшую программу для 8051s и запустить ее.

Пробой при измерениях параметров IGBT-модулей в условиях потребителей

Краткая информация об инверторах для сварки

Инвертор служит источником постоянного тока, который способствует зажиганию и поддержке электрической дуги, обеспечивающей сварочный процесс.

Процесс сварки осуществляется благодаря сварочному току значительной силы, возникающему вследствие работы трансформатора высокой частоты.

Этот факт дает возможность уменьшить размер самого трансформатора, повышает стабильность и точную регулировку выходного тока.

Сварочные мероприятия производят при наличии тока необходимой величины, который получают в несколько этапов: • Изначально выпрямляют ток, полученный из сети; • Осуществляют трансформацию первичного тока постоянной величины в высокочастотный ток; • Повышают силу тока и в то же время уменьшают показатель напряжения в самом трансформаторе; • Вторично выпрямляют ток выходной величины.

Выпрямление тока происходит благодаря диодным мостам заданной мощности. Специальные транзисторы помогают правильно изменять частоту тока, обеспечивая высокочастотные трансформаторы необходимой силой тока на выходе.

Строение

Инверторы для проведения сварочных мероприятий представляют несколько блоков. Непосредственно блок питания отвечает за стабильность сигнала на выходе.

Многообмоточный дроссель, управление, производимое благодаря транзисторам, а также, концентрация энергии в самом конденсаторе являются основополагающими факторами в схеме управления блоком. Как правило, в управлении дросселем участвуют диоды. Отдельным элементом стоит блок питания, разделенный с другими комплектующими металлической перегородкой.

Основной элемент в сварочном инверторном оборудовании представляет силовой блок. Он преобразует первичный ток, поступающий из блока питания, в выходной ток, который непосредственно используют для сварки.

Электрический ток величиной не больше 40А поступает на диодный мост, который служит первичным выпрямителем. При этом напряжение колеблется в пределах 200-250В и заданной частотой в 50 Гц.

Читать также: Сколько масла в бензин для бензопилы штиль

Сам инверторный преобразователь имеет вид силового транзистора с мощностью меньше 8 кВт, при этом напряжение составляет 400 В. Сам же сигнал, который получается на выходе из преобразователя имеет частоту 100 кГц.

Увеличение показателей силы тока до показателей в 200-250А происходит за счет ленточных обмоток, которыми оснащен трансформатор высокой частоты. При вторичной обмотке показатели напряжения не более 40В.

Вторичный выпрямитель составляется из диодов с силой тока выше 250А. Его охлаждение происходит за счет наличия определенных элементов, а именно: • Вентиляторов; • нескольких радиаторов. Для обеспечения стабильного сигнала на выходе дроссель монтируется на выходной плате.

Блоки управления Как правило, основа самого блока управления представлена задающим генератором (иначе, широкоимпульсным модулятором). При наличии схемы на основе самого генератора, может использоваться микросхема. На плато также сконцентрированы 6-10 штук конденсаторов и рабочий резонансный дроссель. Благодаря трансформатору осуществляется каскадный тип управления.

Большая часть инверторов имеет схему защиты, которую располагают на плато в силовом блоке. Отличную защиту от излишних перегрузок обеспечивает схема, которая основана на базе непосредственно микросхемы типа 561 ЛА 7.

Резисторы и заданные конденсаторы К78-2 служат основой для снабберов, которые используют в защитной системе преобразователей и выпрямителей. Наличие термовыключателя обеспечивает качественную защиту всех составляющих в силовом блоке.

Продолжительная эксплуатация даже качественного инвертора может привести к неисправностям. Поломки могут возникнуть вследствие разнообразных причин. Например, ввиду коротких замыканий в электросхемах, возникающих вследствие попадания влаги.

Иногда к неисправностям могут привести попытки сварщика произвести работы, недопустимые на данном оборудовании.

Ключевые особенности и преимущества IPM

Особенности

600 В, трехфазный мостовой инвертор на базе IGBT, включая ИС управления ключами и диоды свободного хода
Защита IGBT от короткого замыкания
Полностью изолированный корпус, выполненный по технологии DBC с повышенной теплоотдачей
Функция интеллектуального отключения
Компаратор для защиты от превышения током предельно допустимого значения при коротком замыкании
Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока
Встроенные ограничительные диоды
Малый форм-фактор

Преимущества

Удобство управления от микроконтроллера
Высокая эффективность и надежность
Очень низкое тепловое сопротивление Rth
Уменьшенное количество компонентов
Оптимизированная топология печатной платы
Уменьшение размера печатной платы (компактная конструкция)
Малая интенсивность отказов
Простота реализации алгоритма управления по полю (FOC) без использования дополнительных датчиков

В таблице 4 представлены основные характеристики IPM компании ST.

Таблица 4. Основные характеристики интеллектуальных силовых модулей (IPM) компании ST

Особенности	Базовая версия	Полнофункциональная версия
STGIPS10K60A	STGIPS14K60	STGIPL14K60	STGIPS20K60	STGIPL20K60
Рабочее напряжение, В	600	600	600	600	600
Рабочий ток при TC=25 °C, А	10	14	15	18	20
RthJC max. Для одного IGBT, °C/Вт	3,8	3	2,8	2,4	2,2
Тип корпуса	SDIP-25L	SDIP-25L	SDIP-38L	SDIP-25L	SDIP-38L
Размер корпуса, мм (X, Y, Z)	44,4×22,0×5,4	44,4×22,0×5,4	49,6×24,5×5,4	44,4×22,0×5,4	49,6×24,5×5,4
Технология DBC	Да	Да	Да	Да	Да
NTC	Да	Да	Да	Да	Да
Встроенные ограничительные диоды	Да	Да	Да	Да	Да
Функция SD	Нет	Да	Да	Да	Да
Компаратор для защиты от коротких замыканий	Нет	Да (1 вывод)	Да (3 вывода)	Да (1 вывод)	Да (3 вывода)
Функция интеллектуального отключения	Нет	Да	Да	Да	Да
Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока	Нет	Нет	Да	Нет	Да
Функция взаимного выключения	Да	Да	Да	Да	Да
Блокировка при перегрузке по напряжению	Да	Да	Да	Да	Да
Конфигурация с открытым эмиттером	Да (3 вывода)	Да (3 вывода)	Да (3 вывода)	Да (3 вывода)	Да (3 вывода)
Совместимость с входными логическими уровнями 3,3/5 В	Да	Да	Да	Да	Да
Входной сигнал для IGBT-транзисторов верхнего плеча	Высокий активный уровень	Высокий активный уровень	Высокий активный уровень	Высокий активный уровень	Высокий активный уровень
Входной сигнал для IGBT-транзисторов нижнего плеча	Высокий активный уровень	Низкий активный уровень	Низкий активный уровень	Низкий активный уровень	Низкий активный уровень

Технические компоненты

Транзисторы для инверторов

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

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?

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)

Ремонтируем сварочный аппарат TELWIN Force 165

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

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

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

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

↑ Процесс выбора транзистора

Теперь, попробуем разобраться с вопросом подбора транзистора. С вопросом максимального напряжение ни у кого не должно возникнуть сомнений. Просто для страховки берем ключ на 200 Вольт больше, чем максимальное действующее напряжение в схеме. Например, в ИИП я советую 600-вольтовые ключи, не ниже. Вопрос в том, что делать с температурой. Она таки считается! Для теплового расчета надо всего лишь узнать, сколько Ватт потерь получится при работе ключа и как сильно надо его охладить, чтобы не случилось теплового пробоя. Если результат меньше Tj

, то использовать такой транзистор можно. Если больше, увы и ах, но надо выбирать дальше.

Из чего состоит нагревание? Для начала из статических потерь

, связанных с сопротивлением переходаRds on , которое влияет на падение напряжения на переходе, в зависимости от протекающего через ключ тока. Это падение напряжение вызывает выделение мощности на кристалле и нагрев транзистора в открытом состоянии. Считается как произведение квадрата среднего тока импульсаIимп на сопротивление переходаRds on и коэффициента заполненияКзап . Последний показывает, какую часть времени транзистор открыт.

В большинстве радиолюбительских конструкции мостовых и полумостовых преобразователей и усилителей Кзап не выше 0.45, а дальнейшее увеличение его не приводит ни к чему особенно хорошему, кроме сильной боли в голове или ж… Так, ладно, со статическими потерями разобрались.

Теперь динамические потери.

Эти потери — основная проблема в преобразователях на полевых транзисторах с жесткой коммутацией ключей. Они возникают в момент включения и выключения ключа. Так сказать, потери на переходных процессах. И чем выше частота преобразования, тем выше динамические потери. А ниже делать частоту тоже не хочется, ведь тогда вырастают размеры трансформатора.

Есть резонансные или квазирезонансные схемы, позволяющие значительно снизить динамические потери, но это уже сложная техника, к которой никак не подходит выражение «простой расчет».

Итак, динамические потери состоят из потерь при включении и потерь при выключении. Считается как произведение тока в начале (Ir

) или конце (If ) импульса, напряжения питания (Uпит ) и времени нарастания (Tr ) или спада (Tf ), разделенное на двойной период импульса. Хочу сразу заметить: отдельно считаются потери при включении и отдельно при выключении, а потом суммируются.

Теперь охлаждение.

Основная проблема охлаждения — тепловое сопротивление между разными материалами. У транзистора таких мест 2: между кристаллом и корпусом транзистора, а так же между корпусом транзистора и радиатором. Эти значения табличные и не требующие вычислений. Первое значение берется из даташита на транзистор. Второе тоже можно взять оттуда, если оно там имеется. Если нет, то берётся усредненное значение.

Итак, потери подсчитаны, пора применять в деле.

Первым делом, складываем потери динамические и статические, получаем общие потери — это сколько Ватт надо отвести от кристалла.

Затем складываем тепловые сопротивления.

Теперь умножаем общие потери на тепловое сопротивление. Получившийся результат — та температура, которую нужно «сдувать» с радиатора. Вычтем из ожидаемой рабочей температуры получившуюся, и на выходе нас ждет ожидаемая температура радиатора. Именно по ней можно оценить, подходит или нет транзистор.

Как? Очень просто. Ожидаемая температура радиатора не может быть ниже температуры окружающей среды при естественном охлаждении. То есть, если у вас получился результат +24°, а на улице +32° то всё, кранты! Транзисторы ждёт тепловой пробой, потому как никакой супервентилятор не сможет охладить радиатор до 24 градусов, если температура воздуха выше. Совсем печально, если результат получился отрицательным. Если у вас нет фреоновой или азотной системы охлаждения, лучше выбрать другой транзистор.

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.

Рейтинг

( Пока оценок нет )

Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.