Подбор транзисторов для сварочных инверторов — какие бывают, их отличия и характеристики
Технический прогресс за последние столетия не смог пройти мимо сварочного производства. На смену громоздкому и не удобному агрегату пришел современный инверторный сварочный аппарат.
Внедрение электронных систем в устройство, позволило максимально облегчить работу в сварочном деле. Теперь стало намного легче использовать сварку в быту.
Наличие электроники позволило включить в аппарат те функции, которые невозможно применить для старых моделей трансформаторах. Конечно, факт использования электронных элементов указывает на факт использование транзисторов.
- Транзистор — что это и какие бывают
- Биполярный транзистор IGBT
- Какой лучше?
- Подведем итог
Требования к IGBT в составе сварочных инверторов
Принцип работы инверторного сварочного аппарата достаточно прост (рисунок 2). Питающее напряжение сети выпрямляется и поступает на вход инвертора. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, которое передается в нагрузку через высокочастотный силовой трансформатор. Работу инвертора контролирует система управления (СУ). Увеличивая и уменьшая длительности управляющих импульсов, можно изменять передаваемую в нагрузку мощность. Кроме основных блоков, схема содержит и вспомогательные: корректор коэффициента мощности (ККМ) и выходной выпрямитель.
Рис. 2. Структура инверторного сварочного аппарата
Основным блоком инверторного сварочного аппарата является непосредственно инвертор, который может быть реализован по любой из известных топологий. Среди наиболее часто используемых схем можно отметить push-pull, мостовую, полумостовую, полумостовую несимметричную (косой полумост).
Несмотря на многообразие топологий, требования к IGBT оказываются примерно одинаковыми:
- Высокое рабочее напряжение. Для бытовой сети рейтинг напряжения транзисторов должен быть 600 В и выше.
- Большие коммутационные токи. Средние значения достигают десятков ампер, пиковые – сотен ампер.
- Высокая частота переключений. Увеличение частоты позволяет снизить габариты трансформатора и индуктивности выходного фильтра.
- Малое значение энергии на включение (Eвкл) и выключение (Eвыкл) для минимизации потерь на переключения.
- Низкое значение напряжения насыщения Uкэ нас. для минимизации кондуктивных потерь.
- Стойкость к жесткому режиму коммутации. Инвертор работает с индуктивной нагрузкой.
- Стойкость к короткому замыканию. Критично для мостовой и полумостовой схем.
К вышесказанному стоит добавить, что, во-первых, при выборе транзисторов для инвертора следует обращать внимание не только на рейтинги токов и напряжений, но и на параметры, определяющие мощность потерь. Во-вторых, требования к низкому напряжению насыщения и высокой рабочей частоте оказываются противоречивыми.
IGBT производства STMicroelectronics сочетают в себе уникальные характеристики: способны коммутировать большую мощность, отличаются высоким быстродействием, при этом – сохраняют низкое значение Uкэ нас. Это стало возможным благодаря использованию новейших технологий.
Неисправности и их варианты
Перегорание самих предохранителей может привести к ситуации, когда выходного тока на инверторе нет, в то время как на входе имеется должное напряжение. К поломке может привести и нарушение общей целостности электроцепи, которое может образоваться в любом участке инвертора.
Еще один вариант неисправностей представляют маленькие показатели сварочного тока, несмотря на самые высокие установки. Такая ситуация может возникнуть из-за недостаточной величины напряжения на входе или вследствие потерь в самих контактных зажимах.
Частые самостоятельные выключения сварочного инвертора могут свидетельствовать о коротком замыкании в электросети.
К такому же эффекту может привести перегревание составляющих силового блока. В этой ситуации может срабатывать система защиты, которая приводит к аварийному отключению.
Проведение ремонтных мероприятий и их порядок
При обнаружении любой поломки, прежде всего, следует приступать к внешнему осмотру оборудования, при котором профессионал может обнаружить различные повреждения или же прожоги вследствие короткого замыкания. Затем проверяют надежность закрепления электрокабелей в клеммах.
Независимо от результатов осмотра необходимо подтянуть зажимы кабеля, для чего пользуются ключом или отверткой. Желательно проверить целостность абсолютно всех предохранителей с помощью специального тестера.
При отсутствии эффекта от предыдущих действий нужно снять крышку от корпуса инвертора и осмотреть внутреннее содержание оборудования в поисках возможного обрыва электроцепей или следов короткого замыкания.
Для ускорения выявления причины поломки следует измерить показатели напряжения на выходе и силу входного тока с помощью мультиметра или тестера.
При отсутствии визуального повреждения оборудования следует выполнить поблочный контроль целостности электроцепи. Первым в такой ситуации осматривают блок питания, а затем, другие блоки.
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].
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.
Силовой блок и его ремонт
Качественный ремонт неисправностей возможен только при наличии определенного набора инструментов и измерительных приборов, а именно: • Паяльников 40В; • Ножей; • Плоскогубцев; • Кусачек; • Амперметров на 50 и 250А; • Осциллографа; • Вольтметров на 50В и 250В; • Паяльников 40В; • Гаечного и торцового ключей.
При тестировании блока управления и силового блока следует уделить особое внимание их элементам. Типичной поломкой силового блока является поломка силового транзистора, а значит, поиски проблем целесообразно начинать с его осмотра.
Технология рабочего процесса
Наличие механических повреждений на поверхности транзистора может свидетельствовать о возможных его повреждениях. Отсутствие таковых ведет за собой тестирование с помощью мультиметра. Неисправность транзистора устраняется путем его замены на новый прибор. Для чего применяется термопаста КПТ-8, которая нужна для установки его на плато.
В случае выхода из рабочего состояния транзистора, причину нужно искать в поломке драйвера. Оценивают работу данных транзисторов управления, используя омметр. При обнаружении нерабочих деталей их отпаивают и заменяют новыми.
Наиболее надежными в устройстве сварочных инверторов считаются диодные мосты выпрямителей, однако, полностью исключить такую ситуацию невозможно.
При поиске неисправностей в диодном мосте его необходимо снять с плато и протестировать его работоспособность, присоединив все диоды между собой. Если показатели сопротивления близки к нулю, то нужно искать определенный неисправный диод. Его обнаружение ведет за собой замену на новый элемент.
При выявлении поломок в блоке управления необходимо проконтролировать параметры деталей, выдающие различные сложные сигналы. В данном случае могут возникнуть проблемы в диагностике с помощью осциллографа, что потребует участия опытного специалиста.
Причина отсутствия автоматического отключения инвертора при сильном перегреве деталей в силовом блоке может заключаться в неисправности термовыключателей. Для устранения проблем, прежде всего, следует проверить качество их прикрепления к деталям, на которых они осуществляют контроль температуры. В случае неработоспособности одного из термовыключателей его нужно заменить на новый.
Сварочные инверторы служат основным оборудованием у профессиональных сварщиков. Однако, выйти из строя может даже ультрасовременное оборудование, которое будет нуждаться в качественно проведенном ремонте.
Самостоятельное устранение небольших неполадок возможно при наличии элементарных знаний об электротехнике и наличии необходимого инструментария, которое нужно для правильного обнаружения поломок. Точная диагностика причин неисправностей поможет сократить время на их устранение до минимума.
Сварочная технология прочно и уверенно вошла в нашу жизнь, и без качественного соединения поверхности металлических изделий невозможно представить себе нашу жизнь. Обилие сварочных технологий позволяет на первое место выдвинуть инверторную технологию, где можно добиться высокого качества сварных швов и соединений. Силовые транзисторы для сварочных инверторов по праву называют сердцем прибора. Правильный выбор устройства зависит от эффективного расчёта мощности и прочих технических характеристик сварочного прибора.
Читать также: Горелка газовая на баллон 50 литров
Обзор серий IGBT от ST
Линейка IGBT производства STMicroelectronics содержит четыре серии, представители которых наиболее подходят для сварочных инверторов. Это серии V, HB, H, M. Все эти транзисторы отвечают перечисленным выше требованиям и имеют отличные характеристики [1, 4]:
- высокие рабочие напряжения – 600…1200 В;
- высокие показатели коммутируемых токов – до 80 А;
- рекордные значения энергии выключения – от 0,2 мДж;
- быстродействие – до 120 кГц;
- доступность версий со встроенным быстродействующим антипараллельным диодом;
- доступность различных корпусных исполнений (TO-247, D2PAK, TO-220 и другие);
- стойкость к импульсам короткого замыкания.
Серия M предназначена для коммутации напряжений до 1200 В и токов до 40 А (таблица 2). Отличительной особенностью серии является низкое напряжение насыщения (не более 2,2 В) и малая энергия на переключения (от 1,2 мДж). Это делает данные транзисторы оптимальным выбором для инверторов, работающих на частотах до 20 кГц.
Таблица 2. Характеристики IGBT серии M
| Наименование | Корпус | Uкэ макс., В | Iк макс. при Tc = 100°C, А | Uкэ нас. макс., В | Eвыкл тип. при Tc = 125°C, мДж | Диод | F макс., кГц | Pd макс., Вт |
| STGW15M120DF3 | TO-247 | 1200 | 15 | 2,2 | 1,2 | есть | 20 | 283 |
| STGW25M120DF3 | TO-247 | 1200 | 25 | 2,2 | 2 | есть | 20 | 326 |
| STGW40M120DF3 | TO-247 | 1200 | 40 | 2,2 | 3 | есть | 20 | 468 |
| STGWA15M120DF3 | TO-247 LONG LEADS | 1200 | 15 | 2,2 | 1,2 | есть | 20 | 283 |
| STGWA25M120DF3 | TO-247 LONG LEADS | 1200 | 25 | 2,2 | 2 | есть | 20 | 326 |
| STGWA40M120DF3 | TO-247 LONG LEADS | 1200 | 40 | 2,2 | 3 | есть | 20 | 468 |
Серия H способна коммутировать напряжения до 1200 В и токи до 40 А (таблица 3). По сравнению с транзисторами серии M, IGBT серии H имеют меньшее значение энергии переключения (от 0,85 мДж) и большее напряжение насыщения (до 2,4 В). По этой причине они подходят для более высокочастотных приложений и способны работать на частотах до 100 кГц.
Таблица 3. Характеристики IGBT серии H
| Наименование | Корпус | Uкэ макс., В | Iк макс. при Tc = 100°C, А | Uкэ нас. макс., В | Eвыкл тип. при Tc = 125°C, мДж | Диод | F макс., кГц | Pd макс., Вт |
| STGW15H120DF2 | TO-247 | 1200 | 15 | 2,4 | 0,85 | есть | 50 | 260 |
| STGW15H120F2 | TO-247 | 1200 | 15 | 2,4 | 0,85 | нет | 50 | 260 |
| STGWA15H120DF2 | TO-247 LONG LEADS | 1200 | 15 | 2,4 | 0,85 | есть | 50 | 260 |
| STGWA15H120F2 | TO-247 LONG LEADS | 1200 | 15 | 2,4 | 0,85 | нет | 50 | 260 |
| STGW25H120DF2 | TO-247 | 1200 | 25 | 2,4 | 1,4 | есть | 50 | 375 |
| STGW25H120F2 | TO-247 | 1200 | 25 | 2,4 | 1,4 | нет | 50 | 375 |
| STGW40H120DF2 | TO-247 | 1200 | 40 | 2,4 | 2,2 | есть | 100 | 468 |
| STGW40H120F2 | TO-247 | 1200 | 40 | 2,4 | 2,2 | нет | 100 | 468 |
Серия HB не является основной для построения сварочных инверторов, однако ее характеристики также на высоте (таблица 4). Напряжение насыщения для этих IGBT являются рекордными среди всех семейств и начинаются от 1,65 В. Энергия переключения, во многих случаях не превышает 0,6 мДж. Рабочая частота для представителей семейства достигает 50 кГц.
Таблица 4. Характеристики IGBT серии HB
| Наименование | Корпус | Uкэ макс., В | Iк макс. при Tc = 100°C, А | Uкэ нас макс., В | Eвыкл тип. при Tc = 125°C, мДж | Диод | F макс., кГц | Pd макс., Вт |
| STGFW20H65FB | TO-3PF | 650 | 20 | 1,65 | 0,6 | нет | 50 | 58 |
| STGFW30H65FB | TO-3PF | 650 | 30 | 1,65 | 0,6 | нет | 50 | 58 |
| STGFW40H65FB | TO-3PF | 650 | 40 | 1,8 | 0,6 | нет | 50 | 58 |
| STGW20H65FB | TO-247 | 650 | 20 | 1,65 | 0,6 | нет | 50 | 260 |
| STGW30H65FB | TO-247 | 650 | 30 | 1,65 | 0,6 | нет | 50 | 260 |
| STGW40H65DFB | TO-247 | 650 | 40 | 1,8 | 0,6 | есть | 50 | 283 |
| STGW40H65FB | TO-247 | 650 | 40 | 1,8 | 0,6 | нет | 50 | 283 |
| STGW60H65DFB | TO-247 | 650 | 60 | 1,75 | 1 | есть | 50 | 375 |
| STGW60H65FB | TO-247 | 650 | 60 | 1,75 | 1 | нет | 50 | 375 |
| STGW80H65DFB | TO-247 | 650 | 80 | 1,6 | 1,3 | есть | 50 | 469 |
| STGW80H65FB | TO-247 | 650 | 80 | 1,8 | 1,9 | нет | 50 | 469 |
| STGWA80H65FB | TO-247 LONG LEADS | 650 | 80 | 1,8 | 1,9 | нет | 50 | 469 |
| STGWT20H65FB | TO-3P | 650 | 20 | 1,65 | 0,6 | нет | 50 | 260 |
| STGWT30H65FB | TO-3P | 650 | 30 | 1,65 | 0,6 | нет | 50 | 260 |
| STGWT40H65DFB | TO-3P | 650 | 40 | 1,8 | 0,6 | есть | 50 | 283 |
| STGWT40H65FB | TO-3P | 650 | 40 | 1,8 | 0,6 | нет | 50 | 283 |
| STGWT60H65DFB | TO-3P | 650 | 60 | 1,75 | 1 | есть | 50 | 375 |
| STGWT60H65FB | TO-3P | 650 | 60 | 1,75 | 1 | нет | 50 | 375 |
| STGWT80H65DFB | TO-3P | 650 | 80 | 1,6 | 1,3 | есть | 50 | 469 |
| STGWT80H65FB | TO-3P | 650 | 80 | 1,8 | 1,9 | нет | 50 | 469 |
Серия V, как было сказано выше, является флагманом в номенклатуре STMicroelectronics. Благодаря новейшим технологиям, у данных IGBT практически полностью отсутствует токовый «хвост», и энергия на выключение оказывается минимальной – от 0,2 мДж (таблица 5), при этом напряжение насыщения не превышает 2,15 В. Все это позволяет использовать транзисторы серии V в быстродействующих инверторах с максимальной частотой переключения до 120 кГц.
Таблица 5. Характеристики IGBT серии V
| Наименование | Корпус | Uкэ макс., В | Iк макс. при Tc = 100°C, А | Uкэ нас. макс., В | Eвыкл тип. при Tc = 125°C, мДж | Диод | F макс., кГц | Pd макс., Вт |
| STGB20V60DF | D2PAK | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | есть | 120 | 167 |
| STGB20V60F | D2PAK | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | нет | 120 | 167 |
| STGFW20V60DF | TO-3PF | 600 | 20 | 1,8 | 0,2 | есть | 120 | 52 |
| STGFW20V60F | TO-3PF | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | нет | 120 | 167 |
| STGP20V60DF | TO-220AB | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | есть | 120 | 167 |
| STGP20V60F | TO-220AB | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | нет | 120 | 167 |
| STGW20V60DF | TO-247 | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | есть | 120 | 167 |
| STGW20V60F | TO-247 | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | нет | 120 | 167 |
| STGWT20V60DF | TO-3P | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | есть | 120 | 167 |
| STGWT20V60F | TO-3P | 600 | 20 | 2,15 | 0,2 | нет | 120 | 167 |
| STGB30V60DF | D2PAK | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | есть | 120 | 260 |
| STGB30V60F | D2PAK | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | нет | 120 | 260 |
| STGFW30V60DF | TO-3PF | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | есть | 120 | 58 |
| STGFW30V60F | TO-3PF | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | нет | 120 | 58 |
| STGP30V60DF | TO-220AB | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | есть | 120 | 260 |
| STGP30V60F | TO-220AB | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | нет | 120 | 260 |
| STGW30V60DF | TO-247 | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | есть | 120 | 260 |
| STGW30V60F | TO-247 | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | нет | 120 | 260 |
| STGWT30V60DF | TO-3P | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | есть | 120 | 260 |
| STGWT30V60F | TO-3P | 600 | 30 | 2,15 | 0,3 | нет | 120 | 260 |
| STGB40V60F | D2PAK | 600 | 40 | 2,15 | 0,5 | нет | 120 | 283 |
| STGFW40V60DF | TO-3PF | 600 | 40 | 2,15 | 0,5 | есть | 120 | 62,5 |
| STGFW40V60F | TO-3PF | 600 | 40 | 2,15 | 0,45 | нет | 120 | 60 |
| STGP40V60F | TO-220AB | 600 | 40 | 2,15 | 0,5 | нет | 120 | 283 |
| STGW40V60DF | TO-247 | 600 | 40 | 2,15 | 0,5 | есть | 120 | 283 |
| STGW40V60F | TO-247 | 600 | 40 | 2,15 | 0,5 | нет | 120 | 283 |
| STGWT40V60DF | TO-3P | 600 | 40 | 2,15 | 0,5 | есть | 120 | 283 |
| STGW60V60DF | TO-247 | 600 | 60 | 2,15 | 0,75 | есть | 120 | 375 |
| STGW60V60F | TO-247 | 600 | 60 | 2,15 | 0,75 | нет | 120 | 375 |
| STGWT60V60DF | TO-3P | 600 | 60 | 2,15 | 0,75 | есть | 120 | 375 |
| STGFW80V60F | TO-3PF | 600 | 80 | 2,15 | 1,15 | нет | 120 | 79 |
| STGW80V60DF | TO-247 | 600 | 80 | 2,15 | 1,15 | есть | 120 | 469 |
| STGW80V60F | TO-247 | 600 | 80 | 2,15 | 1,15 | нет | 120 | 469 |
| STGWT80V60DF | TO-3P | 600 | 80 | 2,15 | 1,15 | есть | 120 | 469 |
| STGWT80V60F | TO-3P | 600 | 80 | 2,15 | 1,15 | нет | 120 | 469 |
Для наименования IGBT представленных серий используется код, состоящий из восьми позиций (таблица 6). Он содержит тип компонента, обозначение корпуса, название семейства, напряжение пробоя, наличие диода и его характеристики. Стоит отметить, что версии транзисторов с диодом с низким падением напряжения (индекс DL) не подходят для работы в составе сварочных инверторов.
Таблица 6. Именование IGBT производства STMicroelectronics
- (пусто) – нет
- D – быстродействующий
- DL – с низким падением
- 60 – 600 В
- 65 – 650 В
- 120 – 1200 В
- V – Very High Speed до 120 кГц
- H…B – High Speed до 50 кГц
- H – High Speed до 35 кГц
- M – Low Loss до 20 кГц
Большинство IGBT представленных семейств выпускается в двух вариантах: со встроенным быстродействующим диодом и без него. Характеристики этих диодов достаточно хороши. Однако в случае необходимости требуется применять внешние диоды, например, в схеме асимметричного моста. При этом следует обратить внимание на мощные быстродействующие диоды серии W производства STMicroelectronics.
Что такое инвертор, и правильный выбор основных узлов и компонентов
Чтобы понять, какие транзисторы используются в сварочных инверторах, необходимо знать строение и принцип работы инверторного оборудования. Инвертор в широком понимании, это универсальный источник постоянного тока, который обеспечивает процесс зажигания дуги и поддержания оптимального режима работы. Сварка осуществляется при помощи подачи значительной силы тока на прибор, за счёт внедрённого в конструкции высокочастотного трансформатора. В данном случае можно использовать уменьшенный вариант трансформатора, и увеличить стабильность и эффективный режим регулировки силы тока, который обеспечивается за счёт внедрения IGBT транзистора для сварочного инвертора.
На сегодняшний день, рынок сварочного оборудования представлен различными вариантами техники, которые имеют уникальные свойства и принцип работы, который определяет в конечном итоге, почему горят транзисторы в сварочном инверторе. В настоящее время варианты сварочного инвертора представлены следующими агрегатами:
- Сварка ручного типа с плавящимися электродами, серийный ряд manual metal arc, ММА. Ручная сварочная аппаратура, работающая в среде защитных газов tungsten inert gas, TIG. Полуавтоматическая технология сварки с использованием инертных газов, типовое исполнение- metal inertgas, MIG. Сварочные приборы на основе работы активных газов типа metal active gas, MAG.
- Сварочные агрегаты с инверторным принципом функционирования — трансформаторные приборы, а также полностью инверторное оборудование.
- Агрегаты с постоянным режимом выходного тока подачи, например для сварки металлов стали, а также с переменным режимом работы, например для пайки алюминия, или чугуна.
Как видно, для каждого типа оборудования предъявляются свои условия эксплуатации и, следовательно, необходимо выбирать импортные и отечественные марки транзисторов для сварочных инверторов, и иногда в соответствующей комбинации.
«Обратите внимание!Чаще всего в работе используются инверторные установки, которые работают по принципу ММА.»
Такие типы устройства неприхотливы и отлично зарекомендовали себя как в частном домашнем хозяйстве, так и на производственном участке.
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 |
Полупроводниковые переключатели
Задача любого ключа в электротехнике – обеспечить короткое замыкание. Идеальный ключ это тот, который имеет:
- бесконечно большое сопротивление в открытом состоянии;
- нулевое время включения (замыкания);
- нулевое сопротивление в замкнутом состоянии;
- нулевое время отключения.
Инженеры долго пытались использовать и вакуум, и различные газы, и ртуть, и масло, и золото с платиной, и еще много чего, для того, чтобы сделать быстродействующие переключатели, не боящиеся дуги и успешно борющиеся с нею. Решение нашлось только в полупроводниковых материалах, появившихся к началу второй половины прошлого века и далеко не сразу. Сначала полупроводниковые диоды, работавшие на промышленной частоте, затем биполярные транзисторы, переход с германия на кремний, некоторое повышение рабочих частот, изобретение тиристора, jfet-транзисторов, примерно таким путем шла электроника к понятию и термину силовой транзисторный ключ (СТК).
В поисках идеального ключа физики твердого тела и и инженеры дошли до MOSFET: “Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor” (“металл-окисел-полупроводник” МОП-транзистор, транзистор с изолированным затвором). Это потрясающий прибор, который сделал первую революцию в силовой импульсной технике. Он способен переключать значительные токи всего лишь присутствием (или отсутствием, в зависимости от типа) электрического поля на затворе. Ток в цепи управления оказался не нужен, однако, при повышении рабочих частот пришлось кормить током паразитную емкость затвора, и это вызвало свои проблемы.
К недостаткам привычных на тот момент биполярных транзисторов относились:
- большой ток в цепи управления;
- малый коэффициент передачи тока;
- сильный разброс параметров от экземпляра к экземпляру;
- зависимость параметров от температуры;
- малая допустимая плотность токов в импульсных режимах;
- знакопеременное напряжение на базе для запирания;
- склонность к накоплению тока;
- большое время рассасывания неосновных носителей.
Что касается полевых транзисторов, то они лишены этих недостатков в силу самого принципа своего устройства. В них нет p-n перехода со всеми его проблемами. К недостаткам полевого МОП-транзистора относятся довольно неважные качества прямой проводимости, особенно с ростом рабочего напряжения приборов. Биполярные, в этом отношении, могут иметь довольно малое напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии. MOSFET нашли себе хорошее применение в высокочастотной импульсной технике.
Результаты практического применения IGBT от ST в MMA-инверторах
Для подтверждения преимуществ транзисторов IGBT производства STMicroelectronics были построены и испытаны сварочные инверторы: MMA160 (входная мощность 3,8 кВт) и MMA200 (входная мощность 6 кВт) [3].
Условия проведения испытаний были одинаковыми [3]:
- в обоих случаях использовалась асимметричная полумостовая схема инвертора со спаренными параллельными IGBT (рисунки 5 и 6);
- в качестве питания использовалось сетевое напряжение 220 В, 50 Гц;
- температура окружающего воздуха составляла 25°C;
- в качестве нагрузки применялись керамические резисторы общим сопротивлением 145 мОм с активным охлаждением;
- максимальный коэффициент заполнения не превышал 50% для гарантированного исключения возможности насыщения сердечника выходного ВЧ-трансформатора;
- защитное отключение производилось при достижении транзисторами температуры 105°С.
Инвертор MMA160 был построен на базе транзисторов STGW40V60DF (рисунок 5). Частота переключений составляла 63 кГц.
Рис. 5. Схема инвертора MMA160
В ходе испытаний производились замеры входной мощности, входного тока и температуры корпуса транзисторов. При увеличении входной мощности от 2 кВт до максимальной мощности в 3,8 кВт происходил разогрев транзисторов и рост энергии на выключение (таблица 8).
Таблица 8. Результаты испытаний инвертора MMA 160
Инвертор показал устойчивую работу во всем диапазоне мощностей. Отключение при максимальной мощности произошло только по истечении 10 минут 17 секунд, после срабатывания защиты от перегрева (105°С). Максимальное значение энергии на выключение IGBT при этом увеличивалось с 311 мДж до 550 мДж, что является хорошим результатом и соответствует заявленному в документации значению (таблица 5).
Инвертор MMA200 был построен с использованием спаренных IGBT STGW60H65DFB (рисунок 6). Рабочая частота составила 63 кГц. Для дополнительной защиты транзисторов были применены снабберные RC-цепочки.
Рис. 6. Схема инвертора MMA200
В ходе испытаний входная мощность MMA200 увеличивалась с 2,6 кВт до 5,8 кВт. Инвертор продемонстрировал устойчивую работу во всех режимах и выключился после срабатывания температурной защиты спустя 8 минут 15 секунд после выхода на мощность 5,8 кВт. При увеличении входных токов происходил рост температуры транзисторов и увеличение энергии на выключение (таблица 9). Диапазон изменений энергии на выключение составил 586…947 мДж, что соответствует заявленному значению.
Таблица 9. Результаты испытаний инвертора MMA200
Проведенные испытания подтвердили отличные характеристики, заявленные производителем. Таким образом, IGBT производства компании STMicroelectronics идеально подходят для построения инверторов сварочных аппаратов.
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: Принцип работы центробежного насоса видео
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.
Литература
- Products and solutions for Factory automation and control. STMicroelectronics, 2015;
- Giuseppe Introvaia. TA0350. Technical article. New trench gate field-stop V series: the real tail-less IGBT. Rev. 1. STMicroelectronics, 2013;
- Anselmo Liberti, Rosario Gulino. AN4638. Application note. Welding machines: V and HB series IGBTs on two-switch forward converters. Rev. 1. STMicroelectronics, 2015;
- https://www.st.com/.
Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.
Зарубежные и отечественные транзисторы
Транзистор – популярный полупроводниковый прибор, выполняющий в электросхемах функции формирования, усиления или преобразования электросигналов и переключения электроимпульсов. Выделяют три типа этих приборов:
- Однопереходные – иначе называются «двухбазовыми диодами». Представляют собой трехэлектродные полупроводники с одним p-n переходом;
- Биполярные – имеют два p-n перехода;
- Полевые – специальный класс, могут служить выключателями или регуляторами тока.
Домашним мастерам, специалистам по ремонту радиоаппаратуры, конструкторам часто требуется подобрать отечественный аналог импортных приборов или наоборот. В некоторых случаях это необходимо для экономии средств – российская продукция гораздо дешевле импортной. Это можно сделать несколькими способами:
- Найти data sheets – техническую документацию к зарубежным электронным компонентам, в которой указываются основные параметры, обозначение на схемах и краткое описание. Затем воспользоваться справочниками на отечественные устройства. И методом подбора найти российские аналоги транзисторов или близкие по характеристикам устройства. Это длительный и сложный путь.
- Использовать таблицу, представленную на нашем сайте. Она поможет заменить зарубежный транзистор отечественным или уменьшить диапазон поиска до нескольких экземпляров.
В нашем каталоге транзисторов вы можете подобрать и купить отечественные аналоги зарубежных транзисторов.
Таблицы зарубежных аналогов транзисторов
Если вы нашли неточность в таблицах аналогов или хотите дополнить их — напишите об этом в комментариях внизу страницы!
Cs8n60f чем заменить
Войти
Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal
Ремонт блока питания Chieftec APS-600C 600W
Несложный ремонт блока питания Chieftec APS-600C 600W
Фото внутренностей (уже успел выпаять электролит 390uF*400v):
Из того что сразу бросается в глаза:
взорваная дежурка — TNY278PN
вздутый конденсатор — 390uF*400v
Открутить от радиатора полупроводники можно, как обычно, только выпаяв всё целиком:
Отметил пробитые детали корректора мощности (APFC):
— один MOSFET 20N60C3
— высокоскоростной диод BYC10-600
Заменил детальки:
Конденсатор будет 330uF*400V, полевики FQPF20N60C, диод HFA15TB60, ШИМ дежурки TNY278PN
Проверяем остальные элементы, в первую очередь полупроводники (методом выпаивания и прозвонки).
Оптопары, что удивительно, все целые:
Диоды D103, D104 исправны.
Все диоды и транзистор исправны (D702, D101, Q703, D703),
заменил только конденсатор питания (47uF*50V) основного ШИМ контроллера — FAN4800IN, в профилактических целях.
Диоды на истоке дежурки ZD501, D501 исправны.
Замена конденсатора 10uF*50V для профилактики (хотя ёмкость и ESR у него в пределах нормы).
Ну и замена самой дежурки.
Основное проверили.
Дальше проверяем всякую мелочёвку, силовые полевики, выпрямительные диоды во вторичке.
Итого заменено:
дежурка — TNY278PN
конденсатор — 390uF*400V
два полевика — 20N60C3 (менял парой, хотя по факту пробит только один),
диод APFC — BYC10-600
конденсатор дежурки 10uF*50v
конденсатор PFC/PWM контроллера 47uF*50v
Тестовый запуск, через прожектор в 500W, прошёл успешно, все напряжения присутствуют и находятся в пределах нормы.
Upd.
Полевики FQPF20N60C — какая-то Китайская подделка, Rds больше чем в 3 раза завышено, по сравнению с оригиналом:
Совсем не держат нагрузку, греются как паровоз.
Заменил на FCP22N60N от Fairchild .
Upd.2
Собрал блок, включаю, не работает и пахнет каким-то палевом 🙂
Разобрал, проверил, вроде всё нормально.
Оказалось, подгорела кнопка включения.
Поставил нечто, под маркой KCD2, производства Jinghan.
Upd.3
Вернули блок. Говорят, включили, трах-бабах, и всё снова сломалось.
Открываю, один полевик в APFC снова пробит. Остальное вроде как целое, ну или почти целое.
Диодик ER506 (D101), который стоит перед дросселем PFC имеет какую-то "раковинку" на корпусе, хотя звонится как исправный:
Такого у меня нет, поставил что было: быстродействующий 15ETH06 в ТО-220 корпусе.
Для профилактики решил поменять ШИМ. Родной стоял FAN4800IN, на замену воткнул ML4800CP и тут началось.
Включаю, а PFC задирает напряжение на конденсаторе до 410В и отключается. Напряжение падает, PFC включается и снова поднимает его до 410В.
И так раз в 0.5 секунды. В общем, PFC работает в режиме "старт-стоп". При этом слышно посчёлкивание/треск из дросселя PFC в такт этим перезапускам.
Крутиль, вертель, датаЩит читаль, ничего непоняль. Не нашёл я каких-то радикальных отличий в обвязке, по сравнию с FAN4800, что могло бы привести к такому эффекту.
Цепь токовых датчиков смотрел, контроль напряжения на выходе PFC смотрел. Ничего подозрительного.
Обратил внимание, что если менять значение конденсатора С203 (у меня он был равен 10nF), то меняется частота "старт-стоп" режима.
Поставил 330pF (как в мануале на ML4800), и дроссель PFC стал трещать как пулемёт. Потом поставил 1nF, стал трещать с заметно меньшей частотой.
Почему есть эта зависимость от конденсатора, в цепи обратной связи по напряжению, непонятно.
Вот этот конденсатор:
Наткнулся на парочку тем по этому поводу тут и ещё вот тут.
Оказывается, лучшие умы "рунета", уже бились над этой проблемой, и ни к чему не пришли.
Пришлось сдаться и запаять CM6800G 🙂
Блок заработал как часики. Никаких тресков, на выходе всё ровненько, без пульсаций.
(думаю, ШИМ можно было не менять, скорее всего родной FAN4800 был рабочим)
Получается, что FAN4800 можно заменить на CM6800 (думаю и в обратную сторону тоже), а вот ML4800 можно воткнуть не везде.
Может повезёт, а может и нет, в зависимости от схемы блока.