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

4 июня 2015

STMicroelectronicsстатьяIGBT

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:

• с различными технологиями – ручная дуговая сварка плавящимся электродом (manual metal arc, ММА), ручная сварка в среде защитных газов (tungsten inert gas, TIG), полуавтоматическая сварка в среде инертных (metal inertgas, MIG) или активных газов (metal active gas, MAG);
• с различными источниками тока – трансформаторные, инверторные;
• с постоянным выходным током (например, для сварки стали) или с переменным током (например, для сварки алюминия).

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]:

• IGBT серии V со сверхнизкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 600 В на частотах до 120 кГц;
• IGBT серии HB с малым напряжением насыщения и низкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 650 В на частотах до 50 кГц;
• IGBT серии H с низкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 1200 В на частотах до 35 кГц;
• IGBT серии M с малым напряжением насыщения, работающие с напряжениями до 1200 В на частотах до 20 кГц;
• диоды серии W с малым прямым падением напряжения и минимальным временем восстановления.

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.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

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.

Специфика прменения IGBT-транзисторов в различных приложениях

Требования к устройствам силовой электроники постоянно возрастают, предусматривая уменьшение гармонического состава токов и напряжений и повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Один из путей удовлетворения этих требований – корректный выбор элементной базы. В этой статье на примере продукции компании Fairchild Semiconductor рассматриваются IGBT-транзисторы для различных приложений. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Введение

IGBT-транзисторы (далее IGBT) во многом схожи с MOSFET. Для IGBT исходным материалом служит Р+, а для MOSFET — чаще N+. В MOSFET эпитаксиальный слой n-типа представляет собой область с большим сопротивлением. В IGBT эпитаксиальный слой n-типа расположен на Р+ подложке, его проводимость модулируется и потери меньше. На рисунке 1 эти потери отражены резистором RDRIFT. Обычно при больших токах потери в IGBT напряжением 600 В меньше, чем в MOSFET с таким же напряжением.

IGBT, в отличие от MOSFET, биполярный транзистор, следовательно, рекомбинация неосновных носителей увеличивает коммутационные потери. Оба типа транзисторов состоят из множества ячеек, соединенных параллельно — на рисунке 1 показана электрическая схема ячейки IGBT. Сопротивление RSC крайне мало, поэтому паразитный n-p-n-транзистор не открывается даже при очень больших токах. Когда IGBT полностью открыт, напряжение насыщения определяется из соотношений:

V CE(SAT) = VBE (PNP) + IMOSFET(RCH + RJFET + RDRIFT);

IMOSFET = IC/(hFE + 1).

Крутизна характеристики у IGBT много больше, чем у MOSFET, поэтому и ток короткого замыкания (КЗ) значительно больше, следовательно, необходимы ограничительные меры.

Технологии IGBT Основные два типа планарных IGBT — это IGBT с локальными пробоями (punch-through, PT) и без локальных пробоев (non-punch-through, NPT). Отличия между ними проиллюстрированы на рисунке 2. PT-структура имеет толстую подложку Р+ и N-буфер, управляющий инжекцией в N-область (базу p-n-p-транзистора). Время переключения и величина VCE(SAT) определяются степенью легирования буфера и временем жизни неосновных носителей — примерно 0,25 мкс.

NPT-структура обладает толстым N-слоем и не имеет буфера. Время переключения и величина VCE(SAT) определяются инжекцией Р-эмиттера, поэтому эмиттер сделан очень тонким (меньше 0,5 мкм). Основные отличия между этими структурами состоят в следующем. 1. Выбор между VCE(SAT) и ЕOFF: в РТ-структуре обычно удается достичь лучшего компромисса между этими величинами за счет меньшего по толщине N-слоя. 2. Температурный коэффициент VCE(SAT) у NPT-структуры всегда положительный, поэтому такие транзисторы удобно включать параллельно. В РТ-структуре температурный коэффициент может быть и положительным, и отрицательным — в зависимости от того, какая используется примесь для уменьшения времени жизни неосновных носителей. Как правило, быстрые транзисторы с РТ-структурой имеют отрицательный температурный коэффициент, а медленные — положительный. 3. Температурный коэффициент ЕOFF. У NPT-структуры с возрастанием температуры ЕOFF увеличивается незначительно, т.к. время жизни неосновных носителей не меняется. У транзисторов с РТ-структурой с возрастанием температуры ЕOFF увеличивается значительно — удваивается при повышении температуры от 25 до 150°С. Причем, этот эффект более явно проявляется у быстрых транзисторов. 4. TFALL. У транзисторов с NPT-структурой время спада довольно велико. Напротив, у транзисторов с PT-структурой это время крайне мало, поэтому невелико и значение ЕOFF, а, следовательно, малы потери на переключение. 5. EON практически не зависит от температуры для обеих структур. 6. Возможность выключения при индуктивной нагрузке — Unclamped Inductive Switching (UIS). Транзисторы с NPT-структурой более устойчивы в этом отношении, потому что имеют широкий N-слой. По этому параметру они приближаются к MOSFET. IGBT с PT-структурой менее устойчивы к лавинному пробою, за исключением случаев, когда они специально разрабатываются для повышения UIS. С улучшением динамических характеристик транзисторов с PT-структурой UIS ухудшается. 7. Устойчивость к токам КЗ — Short circuit withstand time (SCWT). Этот параметр определяет время, в течение которого транзистор должен выдерживать ток КЗ. И в этом отношении транзисторы с NPT-структурой имеют превосходство благодаря более широкому N-слою, который увеличивает сопротивление транзистора, тем самым уменьшая ток КЗ. Не так давно компания Fairchild начала выпуск новых планарных транзисторов с уменьшенной толщиной кристалла — Field Stop IGBT, используя структуру, во многом схожую с SMPS IGBT. Серия планарных транзисторов UF/D с уменьшенными потерями на проводимость и мягким переключением предназначена для приложений с невысокой частотой переключения, например для индукционного нагрева. Серия SF новых Field Stop IGBT может заменить SMPS IGBT, она подходит для приложений с высокой частотой переключения, таких как корректоры коэффициентов мощности, источники бесперебойного питания и т.д. В инверторах солнечных батарей эффективность — важнейший показатель, для них предназначена серия SFD. Транзисторы этой серии выигрывают у ближайших аналогов и по времени выключения, и по энергии переключения. Рассмотрим требования, предъявляемые к транзисторам различными приложениями. Например, электропривод весьма требователен к силовым ключам: – низкое напряжение VCE(SAT) ; – мягкое включение и выключение для уменьшения электромагнитных помех; – малая крутизна характеристики для уменьшения токов КЗ; – желательно выдерживать ток КЗ более 10 мкс; – широкая область безопасной работы при выключении — Reverse Biased Safe-Operating-Area (RBSOA), превышающая в 5—6 раз значение номинального тока; – положительный температурный коэффициент VCE(SAT) , позволяющий включать транзисторы параллельно; – параметры VCE(SAT) и потери при выключении должны быть оптимизированы для увеличения частоты переключения; – должны быть уменьшены потери при включении — необходимо одновременное уменьшение параметров Trr и Qrr — времени и заряда обратного выброса антипараллельного диода транзистора; – необходимо уменьшить эффект Миллера: соотноше­ние Qgd/Qgs должно быть минимальным; – напряжение VGE(th) управления затвором должно превышать 6 В для уменьшения влияния помех; – скорость переключения dv/dt должна быть меньше 7 кВ/мкс. Практически те же параметры должны быть для инверторов солнечных батарей и источников бесперебойного питания, но в этих случаях необходимо увеличить скорость переключения. Иногда требуется весьма малое значение VCE(SAT) при невысокой частоте переключения. Для таких приложений Fairchild разработала серию LSD, в которой для уменьшения величины VCE(SAT) принесены в жертву динамические параметры. С другой стороны, при той же топологии инвертора могут потребоваться транзисторы с улучшенными динамическими параметрами, если, например, используется модуляция основной частоты. В этом случае удобно использовать Field Stop IGBT серии SFD. Для электропривода разработаны 600-В IGBТ серии RUF/C3. В скором времени на смену ей придет новая серия RUF планарных Field Stop IGBT.

1200-В IGBТ

Транзисторы на это напряжение используются во многих приложениях. В некоторых из них не возникают токи КЗ, в других, напротив, такой режим часто повторяется. Сейчас активно растет рынок источников бесперебойного питания для центров данных и инверторов для солнечных батарей. В обоих случаях очень важен высокий КПД преобразователей, т.к. стоимость солнечных панелей достаточно высока, а объем рынка центров данных очень велик и только в США оценивается в 50 млрд. долл. Поэтому низкий КПД инверторов в этом случае означает большие потери и возрастание стоимости. IGBT-транзисторы в значительной степени определяют КПД инверторов и являются важным компонентом этих систем. В производственной линейке компании присутствуют IGBT с NPT-структурой с уменьшенными потерями на выключение, специально разработанные для этих приложений. При их применении уменьшаются размеры охладителей, а, следовательно, размеры и стоимость инверторов. В таблице 1 приведены основные параметры IGBT компании Fairchild, изготавливаемых по разным технологиям. Для высоковольтных DC/DC-преобразователей и DC/DC-преобразователей с топологией FB-ZVS (включение при нулевом напряжении) подходит технология NPT2 planar — потери на выключение в этом случае совсем невелики и снижены на 40—60% по сравнению с предыдущим поколением; уменьшены и потери проводимости.

Таблица 1. Сравнение технологий IGBT

NPT trench

Эти транзисторы разработаны для уменьшения VCE(SAT) и потерь на выключение, кроме того, увеличена плотность тока, следовательно, уменьшена стоимость. В транзисторах, изготовленных по этой технологии (см. рис. 3а), удалось достичь компромисса между напряжением VCE(SAT) и потерями при выключении. И хотя эта технология довольно устаревшая, все же в силу своей невысокой стоимости она до сих пор пользуется спросом.

Field Stop Trench

Field Stop Trench — новейшая технология (см. рис. 3б). Добавление примесей в Field Stop N-буфер позволяет значительно уменьшить толщину базы без изменения пробивного напряжения. Тонкая база уменьшает потери проводимости, а также позволяет достичь удачного компромисса между потерями на выключение и напряжением VCE(SAT) . По плотности тока эта технология сравнима с trench-gate IGBT. Основные ее особенности заключаются в следующем: – отсутствие эпитаксиального слоя снижает стоимость транзистора; – процесс изготовления довольно дорогостоящий, но за счет уменьшения размера кристалла можно снизить стоимость; – при необходимости можно добавлять примеси, сокращающие время жизни неосновных носителей; – хороший компромисс между VCE(SAT) и SCWT; – отличные функциональные показатели; – малая величина VCE(SAT) , такая же, как в транзисторах с РТ-структурой; – малая величина UIS; – из-за высокой плотности тока в меньшем числе случаев необходимо прибегать к параллельному включению ключей.

Заключение

Не существуют идеального IGBT, все параметры которого были бы лучше, чем у аналогов. В каждой технологии изготовления транзистора удается достичь оптимального значения лишь некоторых из основных парамет­ров. Приведенные в статье сведения об основных технологиях позволяют выбрать подходящий транзистор для различных приложений.

Литература

1. Sampat Shekhawat and Bob Brockway, The Application-Specific Power Semiconductors//Bodoґs Power Systems, October, 2008.

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

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

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.

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

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.

Оценочные платы от ST

Компания ST выпускает ряд оценочных плат на базе IGBT и интеллектуальных модулей на их основе. В таблице 5 приведены основные отличительные особенности этих плат.

Таблица 5. Оценочные платы на базе IGBT и модулей от ST

Универсальная оценочная плата STEVAL-IHM028V1 разработана на базе интеллектуального модуля трехфазного мостового инвертора STGIPS20K60 компании ST с рабочим напряжением 600 В и рабочим током 20 А. Модуль имеет встроенные компараторы для аппаратной защиты (такой как защита от перегрузок по току и защита от перегрева).

Оценочная плата STEVAL-IHM028V1 имеет следующие отличительные особенности:

• Законченное решение для силового инвертора мощностью 2 кВт,
• Подключение к однофазной силовой сети с напряжением 90…285 В переменного тока или к источнику постоянного тока с напряжением до 400 В,
• Входной удвоитель напряжения для подключения к низковольтной силовой сети переменного тока,
• Ограничитель входного пускового тока с проходным реле,
• Устройство активного торможения с компаратором перегрузки по напряжению;
• Измерение тока как с тремя, так и с одним датчиком тока;
• Возможность подключения датчиков Холла или энкодера,
• Вход тахометра,
• Аппаратная защита от перегрева и перегрузок по току,
• Активное воздушное охлаждение с автоматическим переключением при повышении температуры,
• Компактная и безопасная конструкция,
• Универсальная платформа для проведения последующих экспериментов.

Литература

1. Products and solutions for Factory automation and control. STMicroelectronics, 2015;
2. Giuseppe Introvaia. TA0350. Technical article. New trench gate field-stop V series: the real tail-less IGBT. Rev. 1. STMicroelectronics, 2013;
3. Anselmo Liberti, Rosario Gulino. AN4638. Application note. Welding machines: V and HB series IGBTs on two-switch forward converters. Rev. 1. STMicroelectronics, 2015;
4. https://www.st.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••