ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ РЕМОНТА И ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРОЧНЫХ АППАРАТОВ

    Инверторный источник питания позволяет достигать высокого качества регулирования выходных параметров сварочных аппаратов, имеет малые габариты и массу. Компания International Rectifier предоставляет широкий выбор силовых IGBT-транзисторов и драйверов для инверторов различных топологий. Кроме того, компания предлагает компоненты для построения необходимого в данном случае ККМ.
    Сварка является одним из наиболее популярных способов конструктивного соединения материалов. Ее применяют в совершенно разных областях: от строительства зданий и авиации – до микроскопической сварки в микроэлектронике и ювелирной отрасли.
    Для каждой из перечисленных областей характерны свои требования к типам используемых материалов, качеству сварки, стоимости ее выполнения, уровню автоматизации. Это привело к появлению различных технологий, таких как 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), плазменная сварка, контактная и так далее.
    Каждый из перечисленных видов сварки требует мощного сварочного аппарата, который выполняет следующие функции: преобразует сетевое переменное напряжение в постоянное или переменное напряжение и ток требуемой величины, осуществляет регулирование выходных параметров тока и напряжения, контролирует возникновение аварийных ситуаций, выполняет дополнительные функции (плавный запуск и тому подобное).
    Существует несколько типов источников питания сварочных аппаратов, работающих от двух- или трехфазных сетей:

• трансформаторный;
• трансформаторный с выпрямителем;
• инверторный.

    Трансформаторный тип подразумевает использование сетевого трансформатора для преобразования сетевого напряжения до требуемого уровня. Регулировка выходных значений тока может производиться с помощью изменения зазора между обмотками трансформатора. При этом выходной ток имеет переменную форму. Данный тип аппаратов является наиболее надежным, но в то же время громоздким, и не может обеспечить высокий уровень качества сварки.
    Выпрямительный тип отличается от трансформаторного наличием выходного выпрямительного блока. В данном случае сварочный ток оказывается постоянным. Это приводит к улучшению качества сварочного шва. Однако недостатки, вес и габаритность, сохраняются.
    Инверторный тип является наиболее современным источником тока для сварочных аппаратов. За последние пятнадцать лет характеристики используемых в таких источниках полупроводниковых элементов, их качество и надежность значительно возросли. Инверторные ИП позволяют достичь высокого качества регулирования параметров сварного тока, получить высокостабильные параметры, улучшить массогабаритные характеристики.
    Структура блока питания инверторного сварочного аппарата состоит из нескольких основных составляющих: входного выпрямителя, корректора коэффициента мощности, инвертора, ВЧ-трансформатора, системы управления (рисунок 1). Если требуется получение постоянного выходного тока, в структуру легко может быть добавлен выходной выпрямитель. Система управления формирует ШИМ-сигнал для силовых ключей, обрабатывает сигналы обратной связи от нагрузки, осуществляет взаимодействие с оператором, обнаруживает возникновение аварийных ситуаций и так далее.

    Главным элементом представленной структуры является инвертор. Он может быть выполнен по любой из существующих инверторных схем: мостовой, полумостовой, Push-pull и других.
    Компания International Rectifier предлагает все необходимые компоненты для построения высокоэффективных и надежных инверторов на базе наиболее популярных схем: мостовой и Push-pull. Каждая из схем имеет свои достоинства и особенности.

Компоненты IR для push-pull-инверторов сварочных аппаратов

    Топология Push-pull долгое время была основной при построении инверторов для сварочных аппаратов. Ее отличают весьма важные достоинства (рисунок 2): потребность всего в двух силовых ключах, простота системы управления (управляющее напряжение формируется относительно общей шины и не требует смещения), потенциальная возможность снижения стоимости за счет малого числа компонентов. Данная схема позволяет получать как постоянный, так и переменный выходной ток.

    Компания IR предлагает IGBT для реализации различных схем инверторов. Среди предлагаемых IGBT можно выбрать наиболее оптимальные для каждого конкретного случая. Это возможно благодаря наличию транзисторов с различными характеристиками (таблица 1):

• с малыми потерями на переключения, оптимизированых для работы с высокими рабочими частотами (до 30 кГц);
• низкочастотных, имеющих минимальные потери во включенном состоянии с низким напряжением «коллектор-эмиттер» от 1,46 В (Low VCE(on));
• с устойчивостью к короткому замыканию до 10 мкс (индекс K10);
• с устойчивостью к короткому замыканию до 5 мкс (индекс K);
• со встроенным обратным диодом (индекс D).

    Таблица 1. IGBT-транзисторы для инверторного каскада сварочного аппарата

    Среди представленных транзисторов хочется отдельно выделить достаточно новую серию IRGx46xxD, которая, обладая характеристиками не ниже, чем у «классической» серии IRGx40xxD, является более привлекательной по цене (применение новых технологий позволило снизить себестоимость производства транзисторов). Также отдельного внимания заслуживает одна из новейших серий IGBT – IRGP66xxD, совмещающая в себе низкие потери на проводимость и переключение и разработанная компанией специально для сварочной техники.
    Как было сказано выше, одним из преимуществ топологии Push-pull является простота управления ключами. Для этих целей компания International Rectifier предлагает двухканальные драйверы в компактных корпусах SOIC-8 и DIP-8 (таблица 2).

Таблица 2. Драйверы нижнего плеча для Push-pull-инверторов

    Стоит обратить внимание на некоторые особенности Push-pull-схемы: более сложный трансформатор, работа ключей в более жестком режиме (большее рабочее напряжение, большие выбросы напряжения). Кроме того, наличие всего двух плечей управления ограничивает диапазон регулирования выходного тока. Более качественное регулирование позволяет получить мостовая схема.

Компоненты IR для мостовых инверторов сварочных аппаратов

    Мостовая схема по сравнению с Push-pull имеет большее число силовых ключей и компонентов управления (рисунок 3), что приводит к удорожанию схемы в целом. Однако в большинстве случаев это компенсируется улучшением качества регулирования.

    Важно отметить, что для построения схем по обеим топологиям компания International Rectifier предлагает использовать одинаковые ключи (таблица 1). При этом в мостовой схеме силовые ключи работают в более комфортных условиях (меньшие рабочее напряжение и броски напряжения).
    Усложнение схемы управления в случае мостовой топологии нивелируется наличием готовых драйверов полумоста и верхнего и нижнего плечей (таблица 3). Драйверы имеют встроенную схему смещения и доступны в малогабаритных SOIC- и DIP-корпусах.

Таблица 3. Драйверы IGBT для мостовых инверторов

    Бытовой, а тем более промышленный, сварочный аппарат является мощным потребителем и мощным источником помех. Для таких приборов устанавливаются требования по величине коэффициента мощности и уровню эмиссии гармонических составляющих тока. IR предлагает все необходимые компоненты для построения корректоров коэффициента мощности (ККМ).

Компоненты IR для построения ККМ сварочных аппаратов

    Главной задачей построения корректоров коэффициента мощности является компенсация фазовых сдвигов между потребляемым напряжением и током при сохранении их синусоидальных форм. В этом случае источник питания сварочного аппарата, с точки зрения сети, должен как можно больше походить на активное сопротивление. Такая компенсация является обязательной и устанавливается требованиями ГОСТов (например, ГОСТ Р 51317. 3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95)).
    International Rectifier предлагает широкий выбор как контроллеров корректоров коэффициента мощности, так и оптимизированных для этой цели IGBT.
    Контроллеры ККМ доступны в малогабаритных корпусах SOIC-8 и DIP-8 (таблица 4). IRS2505L выпускается в миниатюрном корпусе SOT-23-5. Важными достоинствами данных контроллеров являются широкий диапазон питающих напряжений (до 22 В), большие выходные токи (пиковые значения – до 1,5 А), наличие защитных функций.

    Таблица 4. Котроллеры ККМ от International Rectifier

    Транзисторы, используемые для ККМ, должны обладать высоким быстродействием, чтобы успевать отрабатывать возникающие смещения тока и напряжения. Также они должны быть устойчивы к перенапряжениям и сохранять работоспособность при самых жестких условиях переключений. Всем этим требованиям отвечают соответствующие IGBT от International Rectifier (таблица 5).

    Таблица 5. IGBT-транзисторы для ККМ от IR

    Заключение

    Компания International Rectifier предлагает все необходимые базовые компоненты для создания источников питания для инверторных сварочных аппаратов. Среди предложений компании стоит отметить:

• мощные IGBT для основного каскада инвертора, способные работать при частотах до 30 кГц и выдерживать жесткие условия переключений, в том числе – в топологии Push-pull;
• двухканальные драйверы IGBT нижнего плеча для топологии Push-pull;
• двухканальные драйверы IGBT полумоста и верхнего и нижнего плеча для мостовой топологии;
• контроллеры ККМ с широким диапазоном питающих напряжений и высоким уровнем защиты;
• сверхбыстродействующие IGBT, предназначенные для жестких условий работы в составе ККМ.

    Литература

1. David G.Morrison. Semiconductors Spark Advances In Welding Power. Electronic Design, 2001;
2. A. Roccaro, R. Filippo, M. Salato. AN-1045. AC TIG Welding: Output Inverter Design Basics. International Rectifier, 2003;
3. http://www.irf.com/.