Сварочный аппарат на igbt транзисторах

Время чтения: 6 минут

За последние 100 лет технология сварки претерпела значительные изменения. Классические сварочные аппараты были усовершенствованы, а в продаже появились совершенно новые устройства. Наибольший вклад в развитие домашней и любительской сварки внесло изобретение инверторного сварочного аппарата. Его электронная «начинка» позволяет внедрить функции, которые недоступны классическому трансформатору или выпрямителю.

А если в сварочном аппарате применяется электроника, значит, используются и транзисторы. В этой статье мы подробно расскажем, что такое транзистор, какие транзисторы используются в сварочных инверторах и чем отличаются транзисторы IGBT в сварочном аппарате от транзисторов MOSFET.

Общая информация

Транзисторы — что это такое? Наверняка каждый, кто хоть раз сталкивался с ремонтом или банальной разборкой радиоэлектроники, слышал этот термин. Говоря простыми словами, транзистор — это электронная деталь с выводами, изготовленная из полупроводникового материала. Основная функция транзистора — это усиление или генерирование электрических сигналов, поступающих извне. Также с помощью транзисторов выполняется коммутация.

На данный момент транзисторы есть в любом электронном приборе и являются один из важнейших компонентов. В середине прошлого века сразу несколько ученых получили Нобелевскую премию за изобретение транзистора. И с тех пор это небольшое приспособление кардинально изменило мир электроники.

Транзисторы очень маленькие и компактные. Они экономичны, их производство стоит недорого. Несмотря на свой скромный размер, транзистор устойчив к механическому воздействию и долговечен. Также транзисторы способны исправно работать при низком напряжении и при высоких значениях тока. Именно благодаря этим достоинствам к концу 20-го века транзисторы стали неотъемлемой частью каждого электронного прибора. В том числе, у инверторных сварочных аппаратов.

С помощью транзисторов удалось собрать компактную схему и внедрить ее в инвертор. Таким образом, существенно снизились размеры и вес сварочного аппарата. На данный момент производители предлагают инверторы весом до 5 кг, которые можно положить в рюкзак и взять с собой на выездные работы. Также такие аппараты незаменимы при сварке на высоте или в труднодоступных местах.

В сравнении с обычным трансформатором, который использовался раньше для сварки, инверторы намного проще в освоении. А наличие дополнительных функций (например, функции горячего старта или антизалипания) помогает новичкам как можно скорее приступить к работе. И все это заслуга транзисторов.

Транзисторы в инверторах

Транзистор — это один из главных компонентов современного сварочного инвертора. Без него инвертор в принципе не будет так называться. И, поскольку сварочные инверторы уже прочно вошли в нашу жизнь, то нелишним будет узнать немного больше об их электронной «начинке». Эта информация будет полезна не столько мастерам по ремонту сварочных аппаратов, сколько самим сварщикам. Для лучшего понимая сути используемого вами оборудования.

Итак, на данный момент чаще всего в сварочных инверторах применяются транзисторы двух типов: IGBT и MOSFET. Именно благодаря им удается добиться достойного качества работ, внедрения новых функций и уменьшению габаритов аппарата.

Подробнее про IGBT

Мы решили заострить ваше внимание на IGBT транзисторах, поскольку они считаются самыми технологичными. IGBT представляет собой стандартный биполярный транзистор с изолированным затвором. Усиливает и генерирует электрические колебания. Часто применяется в инверторе. От полевого транзистора отличается тем, что генерирует силовой канал, а не управляет им. Представляет собой 2 транзистора на подложке.

Именно благодаря IGBT транзисторам удалось развить производство современных сварочных инверторов. Поскольку именно данный тип транзисторов способен работать при высоком напряжении. Очень скоро производителям стало ясно, что применение IGBT транзисторов способно вывести производство инверторов на новый уровень. Удалось значительно уменьшить размеры аппаратов и увеличить их производительность. Порой стандартный IGBT транзистор способен заменить даже тиристор.

Иногда в IGBT инверторы внедряют специальные микросхемы, которые усиливают управляющий электрический сигнал и ускоряют зарядку затворов. Это необходимо для исправного функционирования мощных переключателей.

IGBT или MOSFET?

Выше мы уже упомянули, что помимо транзисторов типа IGBT существуют еще и транзисторы MOSFET. И многие сварщики любят спорить на форумах, какие транзисторы лучше, а какие хуже. Что мы думаем по этому поводу? Сейчас узнаете.

IGBT — это биполярные транзисторы. А MOSFET — полевые. И отличий у них больше, чем многим кажется на первый взгляд. Основное отличие — максимальная мощность, которую способен выдержать транзистор. У IGBT этот показатель выше, поэтому стоят они дороже, чем MOSFET. А это значит, что управляющая схема тоже стоит дороже.

Если вы используете недорогой инвертор для домашней сварки, то разницу между IGBT и MOSFET вы точно не заметите. Все преимущества IGBT раскрываются только в профессиональном оборудовании, предназначенном для высоковольтного подключения. В таком случае больший диапазон мощностей действительно играет важную роль и стоит предпочесть IGBT инвертор. В остальных же случаях не важно, какие транзисторы установлены. Вы, как любитель, разницу не почувствуете.

Словом, если вы новичок, то приобретайте инвертор на любых транзисторах. Инвертор на MOSFET будет стоить дешевле, вы сможете проще и быстрее его отремонтировать. А если вы выбираете инвертор для профессиональной сварки, то лучше выбрать аппарат на IGBT транзисторах. Они позволят использовать больше мощности. Но и их обслуживание обойдется дороже.

Вместо заключения

Не важно, какие именно силовые транзисторы для сварочных инверторов вы выберите. В любом случае, современный инвертор предоставит вам множество удобных плюсов. Вы сможете брать его с собой, поскольку вес и размеры незначительны. Вы сможете выполнять мелкий ремонт, даже если варите впервые, поскольку дополнительные функции упростят вашу работу. А благодаря технологичным транзисторам электронная схема будет работать еще стабильнее и дольше.

Да, инверторные аппараты куда сложнее по своему строению как раз за счет применения электроники. Вы не сможете починить инвертор «на коленке», как это можно сделать с трансформатором. Но преимуществ слишком много, чтобы отказываться от нововведений. А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь своим мнением в комментариях ниже. Желаем удачи в работе!

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

• соединение трех плат;
• худший теплообмен;
• каскадный выход транзисторов из строя при неисправности одного транзистора;
• меньший КПД (относительно IGBT).

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.

Принцип работы сварочного инвертора

В настоящее время стали очень популярны и доступны по цене сварочные аппараты инверторного типа.

Несмотря на свои положительные качества, они, как и любое другое электронное устройство, временами выходит из строя.

Чтобы отремонтировать инвертор сварочного аппарата нужно хотя бы поверхностно знать его устройство и основные функциональные блоки.

В первых двух частях будет рассказано об устройстве сварочного аппарата модели TELWIN Tecnica 144-164. В третьей части будет рассмотрен пример реального ремонта сварочного инвертора модели TELWIN Force 165. Информация будет полезна всем тем начинающим радиолюбителям, которые хотели бы научиться самостоятельно ремонтировать сварочные аппараты инверторного типа.

Дальше будет много букв – наберитесь терпения .

Сам инверторный сварочный аппарат представляет не что иное, как довольно мощный блок питания. По принципу действия он очень схож с импульсными блоками питания, например, компьютерными блоками питания AT и ATX. Вы спросите: «Чем они похожи? Это ведь абсолютно разные устройства…». Схожесть заключается в принципе преобразования энергии.

Основные этапы преобразования энергии в инверторном сварочном аппарате:

1. Выпрямление переменного напряжения электросети 220V;

2. Преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты;

3. Понижение высокочастотного напряжения;

4. Выпрямление пониженного высокочастотного напряжения.

Это кратко, так сказать, на пальцах . Такие же преобразования происходят в импульсных блоках питания для ПК.

Спрашивается, а зачем нужны эти пляски с бубном (несколько ступеней преобразования напряжения и тока)? А дело тут вот в чём.

Ранее основным элементом сварочного аппарата являлся мощный силовой трансформатор. Он понижал переменное напряжение электросети и позволял получать от вторичной обмотки огромные токи (десятки – сотни ампер), необходимых для сварки. Как известно, если понизить напряжение на вторичной обмотке трансформатора, то можно во столько же раз увеличить ток, который может отдать нагрузке вторичная обмотка. При этом уменьшается число витков вторичной обмотки, но и растёт диаметр обмоточного провода.

Из-за своей высокой мощности, трансформаторы, которые работают на частоте 50 Гц (такова частота переменного тока электросети), имеют весьма большие размеры и вес.

Чтобы устранить этот недостаток были разработаны инверторные сварочные аппараты. За счёт увеличения рабочей частоты до 60-80 кГц и более, удалось уменьшить габариты, а, следовательно, и вес трансформатора. За счёт увеличения рабочей частоты преобразования в 4 раза удаётся снизить габариты трансформатора в 2 раза. А это приводит к уменьшению веса сварочного аппарата, а также к экономии меди и других материалов на изготовление трансформатора.

Но где взять эти самые 60-80 кГц, если частота переменного тока электросети всего 50 Гц? Тут на выручку приходит инверторная схема, которая состоит из мощных ключевых транзисторов, которые переключаются с частотой 60-80 кГц. Но чтобы транзисторы работали, необходимо подать на них постоянное напряжение. Его получают от выпрямителя. Напряжение электросети выпрямляется мощным диодным мостом и сглаживается фильтрующими конденсаторами. В результате на выходе выпрямителя и фильтра получается постоянное напряжение величиной более 220 вольт. Это первая ступень преобразования.

Вот это напряжение и служит источником питания для инверторной схемы. Мощные транзисторы инвертора подключены к понижающему трансформатору. Как уже говорилось, транзисторы переключаются с огромной частотой в 60-80 кГц, а, следовательно, трансформатор работает также на этой частоте. Но, как уже говорилось, для работы на высоких частотах требуются менее громоздкие трансформаторы, ведь частота то уже не 50 Гц, а все 65000 Гц! В результате трансформатор «сжимается» до весьма малых размеров, а мощность его такая же, как и у здоровенного собрата, который работает на частоте 50 Гц. Думаю, идея понятна.

Вся эта петрушка с преобразованием привела к тому, что в схемотехнике сварочного аппарата появляется куча всяких дополнительных элементов, служащих для того, чтобы аппарат стабильно работал. Но, хватить теории, перейдём к "мясу", а точнее к реальному железу и тому, как оно устроено.

Устройство сварочного аппарата инверторного типа. Часть 1. Силовой блок.

Разбираться в устройстве сварочного инвертора желательно по схеме конкретного аппарата. К сожалению, схемы на TELWIN Force 165 я не нашёл, поэтому нагло позаимствуем схему из руководства по ремонту другого аппарата – TELWIN Tecnica 144-164. Фотографии аппарата и его начинки будут от TELWIN Force 165, так как именно он оказался в моём распоряжении. Исходя из анализа схемотехники и элементной базы, особых отличий между этими моделями практически нет, если не учитывать мелочи.

Внешний вид платы сварки TELWIN Force 165 с указанием расположения некоторых элементов схемы.

Принципиальная схема сварочного аппарата инверторного типа TELWIN Tecnica 144-164 состоит из двух основных частей: силовой и управляющей.

Сначала разберёмся в схемотехнике силовой части. Вот схема. Картинка кликабельна (нажмите для увеличения – откроется в новом окне).

Сетевой выпрямитель.

Как уже говорилось, сначала переменный ток электросети 220V выпрямляется мощным диодным мостом и фильтруется электролитическими конденсаторами. Это нужно для того, чтобы переменный ток электросети частотой 50 герц стал постоянным. Конденсаторы С21, С22 нужны для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, которые всегда присутствуют после диодного выпрямителя. Выпрямитель реализован по классической схеме диодный мост. Он выполнен на диодной сборке PD1.

Следует знать, что на конденсаторах фильтра напряжение будет больше в 1,41 раза, чем на выходе диодного моста. Таким образом, если после диодного моста мы получим 220V пульсирующего напряжения, то на конденсаторах будет уже 310V постоянного напряжения (220V * 1,41 = 310,2V). Обычно же рабочее напряжение ограничивается отметкой в 250V (напряжение в сети ведь может быть и завышенным). Тогда на выходе фильтра мы получим все 350V. Именно поэтому конденсаторы имеют рабочее напряжение 400V, с запасом.

На печатной плате сварочного аппарата TELWIN Force 165 элементы сетевого выпрямителя занимают довольно большую площадь (см. фото выше). Выпрямительный диодный мост установлен на охлаждающий радиатор. Через диодную сборку протекают большие токи и диоды, естественно, нагреваются. Для защиты диодного моста на радиаторе установлен термопредохранитель, который размыкается при превышении температуры радиатора выше 90С 0 . Это элемент защиты.

В выпрямителе применяются диодные сборки (диодный мост) типа GBPC3508 или аналогичный. Сборка GBPC3508 рассчитана на прямой ток (I) — 35А, обратное напряжение (V_R) — 800V.

После диодного моста установлены два электролитических конденсатора (здоровенькие бочонки) ёмкостью 680 микрофарад каждый и рабочим напряжением 400V. Ёмкость конденсаторов зависит от модели аппарата. В модели TELWIN Tecnica 144 – 470 мкф., а в TELWIN Tecnica 164 – 680 мкф. Постоянное напряжение с выпрямителя и фильтра подаётся на инвертор.

Помеховый фильтр.

Для того чтобы высокочастотные помехи, которые возникают из-за работы мощного инвертора, не попадали в электросеть, перед выпрямителем устанавливается фильтр ЭМС – электромагнитной совместимости. На английский манер аббревиатура ЭМС обозначается как EMC (ElectroMagnetic Compatibility). Если взглянуть на схему, то фильтр EMC состоит из элементов С1, C8, C15 и дросселя на кольцевом магнитопроводе T4.

Инвертор.

Схема инвертора собрана по схеме так называемого "косого моста". В нём используется два мощных ключевых транзистора. В сварочном инверторе ключевыми транзисторами могут быть как IGBT-транзисторы, так и MOSFET. Например, в моделях Telwin Tecnica 141-161 и 144-164 используются IGBT-транзисторы (HGTG20N60A4, HGTG30N60A4), а в модели Telwin Force 165 применены высоковольтные MOSFET-транзисторы (FCA47N60F). Оба ключевых транзистора устанавливаются на радиатор для отвода тепла. Фото одного из двух транзисторов MOSFET типа FCA47N60F на плате TELWIN Force 165.

Снова взглянем на принципиальную схему и найдём на ней элементы инвертора.

Постоянное напряжение коммутируется транзисторами Q5 и Q8 через обмотку импульсного трансформатора T3 с частотой гораздо большей, чем частота электросети. Частота переключений может составлять несколько десятков килогерц! По сути, создаётся переменный ток, как и в электросети, но только он имеет частоту в несколько десятков килогерц и прямоугольную форму.

Для защиты транзисторов от опасных выбросов напряжения используются демпфирующие RC-цепи R46C25, R63C30.

Для понижения напряжения используется высокочастотный трансформатор T3. С помощью транзисторов Q5, Q8 через первичную обмотку трансформатора T3 (обмотка 1-2) коммутируется напряжение, которое поступает от сетевого выпрямителя (DC+, DC-). Это то самое постоянное напряжение в 310 – 350V, которое было получено на первом этапе преобразования.

За счёт коммутирующих транзисторов постоянное напряжение преобразуется в переменное. Как известно, трансформаторы постоянный ток не преобразуют. Со вторичной обмотки трансформатора T3 (обмотка 5-6) снимается уже намного меньшее напряжение (около 60-70 вольт), но максимальный ток может достигать 120 – 130 ампер! В этом и заключается основная роль трансформатора T3. Через первичную обмотку течёт небольшой ток, но большого напряжения. Со вторичной обмотки уже снимается малое напряжение, но большой ток.

Размеры этого самого трансформатора невелики.

Его вторичная обмотка выполнена несколькими витками ленточного медного провода в изоляции. Сечение провода внушительное, да и не мудрено, ток в обмотке может достигать 130 ампер!

Далее со вторичной обмотки импульсного трансформатора переменный ток высокой частоты выпрямляется мощными диодными выпрямителями. С выхода выпрямителя (OUT+, OUT-) снимается электрический ток с нужными параметрами. Это и необходимо для проведения сварочных работ.

Выходной выпрямитель.

Выходной выпрямитель собран на базе мощных сдвоенных диодов с общим катодом (D32, D33, D34). Эти диоды обладают высоким быстродействием, т. е. они могут быстро открываться и также быстро закрываться. Время восстановления t_rr of your page —>