Что такое igbt в сварочном аппарате

MOSFET или IGBT?

Сначала рассмотрим различия в целом. В настоящий момент все производители инверторов (ММА) выпускаются по двум полупроводниковым технологиям IGBT и MOSFET. Не буду вдаваться в подробности, скажу только то, что в схемотехнике этих аппаратов используются разные полупроводниковые транзисторы IGBT и MOSFET. Основое различие между этими транзисторами — различный ток коммутации. Большим током обладают транзисторы IGBT.

Для изготовления стандартного инвертора понадобится 2–4 IGBT транзистора (в зависимости от рабочего цикла), a MOSFET — 10–12, т. к. они не могут пропускать через себя большие токи, поэтому их приходится делить на такое большое количество транзисторов. Вот собственно в чем и отличие.

Тонкость в том, что транзисторы очень сильно греются и их необходимо установить на мощные алюминиевые радиаторы. Чем больше радиатор, тем больше съем тепла с него, а, следовательно, его охлаждающая способность. Чем больше транзисторов, тем больше радиаторов охлаждения необходимо установить, следовательно, увеличиваются габариты, вес и т. д. MOSFET здесь однозначно проигрывает.

На практике схемотехника MOSFET не позволяет создать аппарат на одной плате: т.е аппараты, которые сейчас есть в продаже, собраны в основном на трех платах. IGBT аппараты всегда идут на одной плате.

Основные недостатки MOSFET

Проще говоря, IGBT более современная технология, чем MOSFET.

Недостатки MOSFET

Что лучше MOSFET или IGBT?

Некоторые компании идут в ногу со временем и при производстве сварочных инверторов используют IGBT транзисторы американской фирмы «Fairchaild», частота переключения которых составляет 50 кГц, т. е. 50000 раз в секунду. IGBT технологию выбрали неспроста, ведь рабочий диапазон температур у них с сохранением параметров гораздо больше, чем у MOSFET, т. е. при нагреве у MOSFETa падают качественные характеристики.

В конструкции САИ (Ресанта) используется одна маленькая плата, которая устанавливается вертикально, а также 4 IGBT транзистора (работают обособленно друг от друга, т. е. не выгорают все, если выгорел один как у MOSFET) и 6 диодов-выпрямителей (а не 12 как у MOSFET), соответственно отказоустойчивость ниже. Это ещё один «плюс» IGBT.

Можно напомнить покупателю о том, что в современных сварочных инверторов используется только 4 обособленных транзистора, а не 12 каскаднозависимых как у MOSFET. Всякое в жизни бывает, но, чтобы не произошло в случае выхода из строя одного транзистора (если не гарантийный случай), замена покупателю обойдется где-то в районе 400 р., а не 12×110 р. = 1320 р. Думаю, что разница приличная.

Как отличить: Визуально аппараты IGBT в большинстве своём отличаются от MOSFET вертикальным расположением силовых разъёмов, т. к. плата одна и обычно устанавливается вертикально. У MOSFET аппаратов выходы обычно расположены горизонтально, т. к. платы в конструкции горизонтально закреплены. Нельзя точно утверждать, что это верно на 100%. Точнее можно сказать, сняв кожух с аппарата.

Многие компании пытаются «выиграть баллы» на транзисторах. Так, например, компания «Aiken» в настоящий момент выпустила на рынок аппараты (по технологии MOSFET) с наклейками на боковых панелях «Используются транзисторы TOSHIBA» а также «Используются транзисторы Mitsubishi». Пытаются выползти на громких и знакомых брендах. На практике это не подтвердилось. Так на крупнейшей Международной инструментальной выставке России Moscow International Tool Expo (MITEX-2011), которая проходила в ноябре 2011г. в «Экспоцентре» (г. Москва), я попросил представителей стенда данной компании разобрать их САИ с наклейкой «Используются транзисторы Mitsubishi» и продемонстрировать данные транзисторы. В итоге сварочные инверторы разобрали, но данных транзисторов не обнаружили. Сами сотрудники компании «Aiken» были в шоке, обнаружив безымянные транзисторы.

Источник

Проверка боем: применение IGBT от ST в составе инверторов сварочных аппаратов MMA

STMicroelectronics выпускает несколько серий IGBT-транзисторов и мощных быстродействующих диодов, идеально подходящих для создания инверторов сварочных аппаратов. Сверхсовременные IGBT серий V, H, HB, M и диоды серии W отличаются малыми потерями на переключения и низким напряжением насыщения. Эти замечательные качества были подтверждены на практике при испытании MMA-инверторов мощностью 4 и 6 кВт.

Рынок сварочного оборудования представляет собой быстроразвивающуюся отрасль силовой электроники. На сегодня существует множество типов сварочных аппаратов:

Наиболее распространенным типом сварочной технологии является MMA. Она отличается простотой и применяется как в профессиональных, так и в бытовых аппаратах. Структура такого сварочного аппарата достаточно проста и состоит из источника тока, выходного выпрямителя (опционально) и системы управления (рисунок 1).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема сварочного аппарата

Источник тока может быть реализован на базе мощного сетевого трансформатора (трансформаторный аппарат), либо на базе инвертора (инверторный аппарат). Главными достоинствами трансформаторных аппаратов являются простота и максимальная надежность, а недостатками – большие габариты, грубое регулирование и низкое качество сварки. Инверторные аппараты, использующие современные полупроводниковые силовые ключи, не имеют этих недостатков.

Основными компонентами мощных инверторов являются IGBT-транзисторы и быстродействующие диоды. Компания STMicroelectronics выпускает силовые электронные компоненты, идеально подходящие для построения сварочных аппаратов [1]:

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:

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.

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

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.

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]:

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

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

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

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

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