Транзисторы для сварочных инверторов: всё, что вам нужно знать

Система обозначений для IGBT-транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов использовалась следующая система обозначений (рис. 3).

Рис. 3. Первая система обозначений для транзисторов IGBT IR

В данной системе обозначений присутствует суффикс, определяющий подкласс по быстродействию прибора (таблица 2).Таблица2.Классификация транзисторов IGBT IR по быстродействию

Параметрыподкласс	Standard	Fast	Ultrafast
Vce, В	1,3	1,5	1,9
Энергия переключения, мДж/A·мм2	0,54	0,16	0,055
Потери проводимости, Вт (при 50% постоянного тока)	0,625	0,75	0,95

В процессе разработки новых приборов возникла необходимость введения добавочных суффиксов, определяющих дополнительные параметры транзисторов, поэтому система обозначений была изменена (рис. 4). Эта система, в частности, использовалась для маркировки 600 В Trench IGBT.

Рис. 4. Система обозначений для 600 В Trench IGBTтранзисторов

После разработки технологии 1200 В Trench IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему обозначений для новых IGBT-транзисторов 4-го и 6-го поколений, которая показана на рис. 5. Для ранее разработанных 600 В транзисторов пока сохраняется маркировка, приведенная на рис. 4.

Рис. 5. Система обозначений для поколения Gen 6.3+

Полупроводниковые переключатели

Задача хоть какого ключа в электротехнике – обеспечить короткое замыкание. Безупречный ключ это тот, который имеет:

бесконечно огромное сопротивление в открытом состоянии;
нулевое время включения (замыкания);
нулевое сопротивление в замкнутом состоянии;
нулевое время отключения.

Инженеры долго пробовали употреблять и вакуум, и разные газы, и ртуть, и масло, и золото с платиной, и еще много что, для того, чтоб сделать быстродействующие переключатели, не боящиеся дуги и удачно борющиеся с нею.

Решение нашлось лишь в полупроводниковых х, появившихся к началу 2-ой половины прошедшего века и далековато не сходу. Поначалу полупроводниковые диоды, работавшие на промышленной частоте, потом биполярные транзисторы, переход с германия на кремний, некое увеличение рабочих частот, изобретение тиристора, jfet-транзисторов, приблизительно таковым методом шла электроника к понятию и термину силовой транзисторный ключ (СТК).

В поисках безупречного 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 классный устройство, который сделал первую революцию в силовой импульсной технике.

Он способен переключать значимые токи всего только присутствием (или отсутствием, в зависимости от типа) электрического поля на затворе. Ток в цепи управления оказался не нужен, но, при повышении рабочих частот пришлось подкармливать током паразитную емкость затвора, и это вызвало свои проблемы.

К недочетам обычных на тот момент биполярных транзисторов относились:

большой ток в цепи управления;
малый коэффициент передачи тока;
сильный разброс характеристик от экземпляра к экземпляру;
зависимость характеристик от температуры;
малая допустимая плотность токов в импульсных режимах;
знакопеременное напряжение на базе для запирания;
склонность к скоплению тока;
большое время рассасывания неосновных носителей.

Что касается полевых транзисторов, то они лишены этих недочетов в силу самого принципа собственного устройства.

В них нет p-n перехода со всеми его неуввязками. К недочетам полевого МОП-транзистора относятся достаточно неважные свойства прямой проводимости, в особенности с ростом рабочего напряжения устройств. Биполярные, в этом отношении, могут иметь достаточно маленькое напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии. MOSFET отыскали для себя не плохое применение в частотной импульсной технике.

Принцип действия

Сварочные инверторы устроены так, что напряжение на выходе не зависит от напряжения на входе. А значит, выставленный ток сварки не зависит от напряжения сети. Использование инверторов удобно при создании дуги, так как прилипание электрода практически отсутствует.

Принцип работы заключается в следующем. Переменное напряжение из промышленной сети частотой 50 Гц поступает на выпрямительный блок. Преобразуюсь в постоянное значение, сигнал попадает на силовой блок, состоящий из IGBT транзисторов. В результате из-за их ключевого режима работы, на выходе с блока образуется импульсный сигнал с большей частотой, около 20−60 кГц. Далее, поступая на блок преобразователей, величина напряжения понижается, а сила тока соответственно увеличивается.

Таким образом, требуемая величина тока достигается путём изменения сигнала высокой частоты. Это и обеспечивается преимущество над другими видами источников питания сварочной дуги. Советы по работе на инверторе читайте здесь.

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).

Блоки управления

Задающий генератор или широко импульсный модулятор используется в качестве основы для блока управления. Если на основе генератора собрана схема, то в качестве него используется микросхема. Кроме неё, резонансный дроссель размещается на плато, а помимо них ещё и конденсаторы. Их устанавливают в количестве 6 или 10 штук. Трансформатором обеспечивается схема управления каскадного типа.

В большинство моделей инверторов схема защиты собрана на плато силового блока для обеспечения надёжной защиты соответствующего элемента. Для эффективной защиты от перегрузок при использовании оборудования в нём используется схема на базе микросхемы 561 ЛА 7.

Снабберы применяются в системе защиты выпрямителей и преобразователей на основе резисторов и конденсаторов К78–2. Установка термовыключателя позволяет обеспечить надёжную тепловую защиту элементов силового блока.

Основные причины неисправности сварочных инверторов

Даже самый современный надёжный сварочный инвертор при продолжительной эксплуатации выходит из строя. Причины поломок могут быть самыми разными. Чаще всего это связано с короткими замыканиями в электрических схемах. Они возникают из-за попадания туда влаги.

В некоторых случаях неисправным аппарат становится из-за попыток сварщика производить работы, на которые это оборудование не рассчитано.

Например, некоторые специалисты используют сварочный инвертор небольших габаритов для операций по резке железнодорожного рельса. Решение такой задачи с помощью этого оборудования, конечно же, приведёт к серьёзным перегрузкам и как следствие, к выходу оборудования из строя.

Преимущества сварочного инвертора

Схема диодного моста для сварочного полуавтомата.

Среди прочих достоинств начинающему сварщику важно знать, что даже человеку, не имеющему достаточного опыта, эти аппараты позволяют качественно выполнять сварку. Далее приведем преимущества, которые должны убедить в целесообразности приобретения именно этого типа аппарата

Малый вес. Есть инверторы массой 3 кг.
Высокий КПД. У некоторых моделей он достигает 95%. Для сравнения: сварочный трансформатор в лучшем случае имеет КПД, равный 90%.
Обеспечивает плавную регулировку сварочного тока в широком диапазоне (см. таблицу).
Большой процент времени работы (ПВ). У некоторых моделей он достигает 80%. Этот параметр должен быть указан на самом устройстве. Его определяют относительно 10-минутного цикла работы на максимальной мощности. Например, обозначение “80%ПВ‑200 А” означает, что непрерывно на максимальном токе, равном 200 А, можно работать в течение 8 мин, после чего необходимо сделать 2-минутный перерыв.
Инвертор можно использовать с электродами для переменного и постоянного тока, а также для сварки под инертным газом.
Высокое качество сварного шва и малое разбрызгивание металла в процессе сварки.
При большом постоянном токе всегда имеется т. н. электромагнитное дутье, то есть отклонение дуги от прямой линии. В инверторах это явление сведено до минимума.
Инверторы позволяют сваривать металлы и сплавы, которые не поддаются сварке на других аппаратах.

Примечание. Реальный цикл сварки указан на самом аппарате.

В инструкции должен быть обозначен класс защиты изделия. Обозначение состоит из четырех индексов, размещаемых после литер IP.

https://moyakovka.ru/youtu.be/bZlG5OzDhas

Первый индекс определяет защиту от попадания внутрь предметов:

защиты нет.

Обратная и прямая полярность в сварочном инверторе.

Далее указана защита от попадания внутрь предметов разных диаметров:

более 50 мм;
более 12 мм;
более 2,5 мм;
более 1 мм;
не защищен от пыли, но она на работу аппарата не повлияет;
защищен от попадания пыли.

Второй индекс определяет защиту от попадания внутрь воды:

не защищен;
защищен от проникновения вертикально падающих капель;
защищен от проникновения капель, падающих под углом 15˚;
защищен от проникновения капель, падающих под углом 40˚.

Например, обозначение IP23 означает, что аппарат защищен от попадания предметов диаметром более 2,5 мм и брызг воды, падающих на аппарат под углом 40˚. Здесь целесообразно проинформировать, что под дождем сваривать запрещено.

Комплектация и аксессуары

В зависимости от конкретной модели оборудования комплектация может различаться. Вместе с тем существует необходимый минимум, который должен присутствовать в каждом комплекте:

сварочный аппарат;
2 сварочных кабеля (длиной около 2 метров);
гарантийный паспорт;
инструкция по применению.

Также в комплекте могут присутствовать дополнительные элементы:

сварочная маска;
чемодан для переноски;
ручки для переноски;
плечевые ремни;
щетка для чистки оборудования.

Аксессуары

Для облегчения работы сварщика и последующего обслуживания оборудования существуют разного рода аксессуары, которые можно выделить в несколько групп:

Электроды для сварочного аппарата:

для сварки углеродистой и низколегированной стали;
для наплавки;
для сварки чугуна;
для сварки цветных металлов;
для резки;
для сварки высоколегированной стали;
для сварки легированной теплоустойчивой стали;
для сварки разнородных металлов.

Спреи и пасты. Составы предназначены для разных целей:

огнезащита поверхностей, находящихся в непосредственной близости от сварочных работ;
защита против налипания брызг;
антипригарная защита газовых горелок и прочие.

Вспомогательные материалы:

зеркало сварщика;
строительные карандаши и держатели для мелка талька;
линейки и угольники.

Так же к аксессуарам относятся:

Горелки.
Плазменные резаки.
Электродержатели.
Зажимы заземления.
Сварочные кабели.

3 Как выбрать сварочный инвертор?

Любой современный инверторный аппарат для ручной дуговой сварки может быть причислен либо к дорогому, либо к приемлемому по стоимости оборудованию. Под недорогой понимают технику, которая производится в Китае. Более престижными считаются инверторы под европейскими брендами. Но здесь нужно понимать, что и в них нередко встречаются детали из Поднебесной. Поэтому не всегда имеет смысл переплачивать деньги за раскрученную торговую марку, намного важнее правильно подобрать нужные вам технические параметры оборудования.

Прежде всего, узнайте мощность инвертора, который вы планируете приобрести. Аппарат получает высокочастотные импульсы от силовых ключей – специальных транзисторов с большими показателями вольтажа. Они повышают силу тока, когда в электросети отмечаются перепады напряжения, что и обеспечивает стабильность функционирования оборудования. Эти силовые ключи вполне могут и перегореть при особенно высоком напряжении, если производитель не предусмотрел наличия для них защитных систем.

Как вы сами понимаете, дешевый агрегат крайне редко оснащается подобной защитой, а значит, он постоянно подвержен риску выхода из строя. Таким образом, в тех случаях, когда в электросети вашей местности нередко возникают проблемы с напряжением, лучше подобрать качественный аппарат, в котором имеются механизмы надежной защиты его силовых цепей.

Следующий важный параметр для инвертора – значение потребляемой им мощности. Если вы планируете использовать сварочную установку на максимально допустимом ее инструкцией токе, внимательно проанализируйте состояние своей бытовой электросети. Нередко она просто-напросто не приспособлена для обслуживания столь мощного оборудования, коим, несомненно, является сварочный инвертор.

Обязательно проверьте качество домашней проводки, посмотрите на то, какой у вас стоит сетевой предохранитель, и узнайте в инструкции к агрегату рекомендованные для его работы параметры. Если в инструкции указано, что предохранитель сети должен быть на 32 ампера, не пытайтесь подключить установку для сварки к сети, где стоит «защитник» на 25 или 16 ампер.

Выбирая сварочный аппарат, узнайте также допустимую длительность его непрерывного использования. Под этим показателем понимают время, в течение которого инвертор может работать без отключения на максимальном токе. Например, когда показатель длительности включения установки указан в 30 процентов, это означает, что из десяти минут функционировать он будет не более трех. А остальные семь минут он будет остывать. Сделать с этим вы ничего не сможете, так как предохранительные механизмы агрегата просто-напросто отключат его.

Хорошей продолжительностью включения считается величина от 60 процентов. Впрочем, для домашней эксплуатации подойдет и аппарат с более скромными характеристиками, так как непрофессиональные сварщики крайне редко используют инвертор на высоком токе. А при минимальном его значении почти все инверторные установки способны функционировать без обязательных «антрактов» на остывание.

Преимущества сварочного инвертора

Первые сварочные инверторы появились на рынках относительно недавно, наделав немало шума среди сварщиков. Имея очень лёгкий вес и малые габариты, сварочные инверторы пришлись по вкусу многим, и успешно заняли лидирующее место на рынке электросварки.

Среди основных преимуществ сварочных инверторов не трудно выделить следующее:

Коэффициент полезного действия у сварочного инвертора достигает 95%;
Экономичность абсолютно во всем, а особенно в потреблении электроэнергии;
Минимальное разбрызгивание и легкость разжигания дуги;
Всевозможные дополнительные функции, которые существенно упрощают работу со сваркой, например, антизалипание и форсаж дуги;
Лёгкий вес и минимальные габариты (сварочный инвертор можно носить на плече во время сварки).

Для тех, кто проживает в собственном доме или имеет дачу, сварочный инвертор уже не роскошь, а самая обычная необходимость. Что-то приварить и отремонтировать, поставить забор или сделать простенький мангал за пару часов, всегда можно самому, не прибегая к дорогим услугам электросварщиков.

Выбираем сварочный аппарат для дома и дачи — какой лучше

Из выше представленного анализа каждый мастер может сделать соответствующие выводы о необходимости приобретения тех или иных разновидностей сварочного оборудования. Хочется, чтобы сварочное оборудование удовлетворяло следующим потребностям:

Имело компактные размеры, и небольшой вес
Было простым в применении
Способствовало свариванию материалов разных типов
Имело невысокую стоимость, и было ремонтопригодным

Одними из максимально подходящих устройств для вышеперечисленных критериев являются инверторные модели. Однако перед тем, как их приобретать, рекомендуется учесть некоторые технические параметры при выборе

Как выбрать сварочный аппарат для дома и дачи, рассмотрим на фоне важных технических параметров, на которые следует обратить внимание

Величина рабочего входного напряжения. Устройства в зависимости от их типа и мощности выпускаются для подключения к одно- или трехфазным сетям. Бытовое напряжение 220В, а производственное 380В. Если в доме отсутствует напряжение 380В, то смело выбираем среди моделей на 220В. Они хотя и уступают по мощности, но при этом обеспечивают достаточно высокую производительность

Мощность — не возникает трудностей с выбором по мощности оборудования, работающего от трехфазной сети

Если покупается аппарат под бытовую сеть, то здесь важно учитывать величину максимальной мощности. Если выбрать модель с предельно допустимой величиной мощности, то в домашней сети будут возникать сильные перепады напряжения и срабатывание автоматических выключателей

Однако с инверторными моделями таковых проблем не возникает

Величина тока и режим сварки — по этим критериям важно выбирать оборудование в зависимости от того, какой толщиной металл планируется варить. Для домашнего использования вполне хватает аппаратов, которые рассчитаны на максимальную величину тока в 160А. Плавная регулировка величины тока способствует повышению качества сварочного шва

Продолжительность работы или нагрузки — это значение также указывается в технических характеристиках оборудования, и оно играет важную роль. Обозначает данное значение максимальное время работы аппарата под максимальной нагрузкой. Эту максимальную нагрузку важно учесть, так как чем меньше его величина, тем чаще придется делать перерывы в работе

Диапазон напряжения питания — это отклонения во входном напряжении. Оптимальным значением является величина отклонения в 20-30%. Если аппарат не рассчитан на работу при понижении или повышении напряжения, то он не сможет обеспечить высокое качество сварочного шва, а также приведет к быстрому выходу его из строя

Наличие дополнительных полезных опций, что особенно актуально для начинающих сварщиков. Это такие разные опции, как горячий старт, антиприлипание электрода, форсаж дуги и т.п.

Немаловажно уделить внимание производителю оборудования, так как покупка устройств неизвестных фирм в большинстве случаев не оправдана. Рекомендуется выбирать модели известных производителей (Fubag, Ресанта, Wester, Сварог и другие), о которых имеются преимущественно положительные отзывы и рекомендации от специалистов

Публикации по теме

Паяльник для пайки проводов и микросхем — виды и как правильно пользоваться инструментом

Назначение реноватора и скрытые возможности инструмента

Как работает шуруповерт и конструкция инструмента — что надо знать при использовании

Как варить сваркой или пошаговая инструкция как пользоваться сварочным аппаратом

Плазменная сварка и особенности ее применения

Еще один вид сварочного оборудования — плазменная сварка. Принцип работы оборудования заключается в том, что металл плавится за счет плазмы. Плазмой именуется такой газ, состоящий из заряженных частиц. Эти заряженные частицы газа способствуют проведению электрического тока.

Функционирование плазменной сварки основывается на выполнении следующих действий:

Розжиг дуги, что происходит в специальной камере — плазматроне
В эту камеру под давлением закачивается аргон, что способствует разогреву сварочной зоны до 50 тысяч градусов
Увеличение объема газа приводит к тому, что он выходит из сопла с огромной скоростью

В итоге получается так, что плавится металл, формируя при этом соединительный шов. Из сопла выделяется два газа, один из которых является плазмообразователем, а второй защитный. Плазменная сварка делится на два вида — ручная и автоматическая. Автоматические аппараты применяются на производстве, а ручные агрегаты используются специалистами. Принцип применения ручных устройств заключается в том, что в зону дуги подается проволока, которая при оплавлении образует соединение. При помощи плазменной сварки можно не только варить металл, но еще и осуществлять его резку.

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.

Эмиттерный вывод Кельвина

В стандартных силовых транзисторных корпусах для монтажа в отверстие, например ТО-220 или ТО-247, каждый из выводов имеет паразитную индуктивность, величина которой может достигать единиц наногенри. При этом паразитная индуктивность, в частности, эмиттера IGBT-ключа входит как в контур управления ключом, так и в цепь силового тока.

Рис. 2. Влияние паразитной индуктивности эмиттерного вывода IGBT на цепь управления в режиме:
а) включения Turn-ON;
б) выключения Turn-OFF

Как видно на рис. 2, в цепь силового тока входит также паразитная индуктивность коллекторного вывода, а также дорожек печатной платы, соединяющих коллектор с источником питания. Влияние паразитной индуктивности эмиттера L_e на эффективное управляющее напряжение затвор-эмиттер V_ge.eff при включении и выключении описано уравнениями (1) и (2) соответственно:

Из них следует, что эффективное управляющее напряжение меньше выходного напряжения драйвера в обоих режимах работы ключа на величину вычитаемых составляющих в уравнениях. Это уменьшение управляющего напряжения увеличивает время переключения, а значит, увеличивает и потери переключения. Аналогичный эффект наблюдается и в силовом MOSFET-ключе за счет влияния паразитной индуктивности истока L_source (рис. 3).

Рис. 3. Влияние паразитной индуктивности вывода истока MOSFET на цепь управления