Сварка от Texas Instruments: все для инверторов сварочного тока

4 июня 2015

Texas InstrumentsстатьяMOSFET

Удобные и компактные инверторные источники тока для сварочных аппаратов с высоким КПД и корректором коэффициента мощности могут быть легко реализованы на базе микросхем Texas Instruments: ККМ-контроллеров с режимом чередования фаз UCC280xx, драйверов затворов силовых транзисторов UCC27xxx и LM51xx, а также – в случае цифровых источников тока – на базе микроконтроллеров из линейки C2000.

Когда речь идет об изготовлении металлоконструкций, одним из экономичных и эффективных способов соединения различных металлов является сварка. На сегодняшний день существует множество технологий, которые используют в своей работе различные источники энергии для создания сварочного шва: электрическую дугу, газовое пламя, лазерное излучение и так далее. Вне зависимости от используемой технологии, для образования и стабильного горения сварочной дуги необходимо обеспечить заданную вольт-амперную характеристику (ВАХ). Именно ВАХ определяет качество шва и скорость сварочного процесса. Для обеспечения требуемой ВАХ используют специальные источники питания. Среди основных типов сварочных источников тока, присутствующих сегодня на рынке, можно выделить трансформаторные, выпрямительные, генераторные и инверторные. Каждый из представленных аппаратов востребован при работе с конкретными типами металла, в определенных областях применения и предназначен для решения конкретных поставленных задач. Например, трансформаторные источники предназначены для сварки переменным током, выпрямительные, генераторные и инверторные – для сварки постоянным током.

Отдельно стоит отметить инверторный источник сварочного тока – ИИСТ. ИИСТ набирает свою популярность и широкое распространение благодаря своей мобильности, экономичности и высокой производительности. В большинстве случаев инверторные источники заметно повышают удобство и производительность сварки. Несмотря на малые габариты, они не уступают классическими источникам (трансформаторным и выпрямительным) по обеспечиваемым параметрам. Уменьшение габаритов ИИСТ, в основном, связано с использованием в схеме инвертора малогабаритного высокочастотного трансформатора вместо мощного сетевого силового трансформатора, используемого в трансформаторных и выпрямительных источниках.

Общие принципы построения инверторного преобразователя

Упрощенно общую схему инверторного преобразователя можно разделить на несколько основных блоков (рисунок 1): входной блок (фильтр, выпрямитель, ККМ), инвертор, выходной выпрямитель и система управления. Входной блок обеспечивает преобразование переменного тока сетевого напряжения 50 Гц в постоянное напряжение высокого уровня. Инвертор преобразует полученное высокое постоянное напряжение в переменное напряжение высокой частоты, частота преобразователя может достигать 100 кГц, в зависимости от конкретного исполнения. В дальнейшем напряжение понижается на высокочастотном трансформаторе и выпрямляется до требуемых выходных значений 70…90 В. При этом ток нагрузки в выходных цепях может достигать сотен ампер. Для повышения КПД устройства в качестве ключей и выпрямляющих элементов используются мощные MOSFET или IGBT-транзисторы. Дополнительное наличие цифровой системы управления в инверторном сварочном аппарате позволяет значительно расширить функционал устройства. Одной из таких возможностей является плавная регулировка величины сварочного тока в широком диапазоне. Это облегчает использование различных типов электродов и дает возможность хранения в дополнительной памяти наиболее часто применяемых режимов для сварки и плазменной резки.

Рис. 1. Общая схема источника питания сварочного аппарата

Рис. 1. Общая схема источника питания сварочного аппарата

Электронная система управления в инверторных преобразователях также упрощает реализацию таких дополнительных функций как:

  • горячий старт (Hot start), используемый для поджига электрода в начале сварки;
  • форсированная дуга (Arc Force), которая с помощью увеличения тока предотвращает «залипание» электродов и обеспечивает стабильность горения дуги;
  • антиприлипание (Anti-Stick) – также обеспечивает защиту от прилипания электродов при возникновении короткого замыкания.

Использование ККМ в режиме чередования фазы

Кроме блока управления, в инверторных источниках отдельного внимания заслуживает блок коррекции коэффициента мощности (ККМ). Несмотря на вопросы, связанные с возможным взаимным влиянием ККМ и инвертора, и удорожанием изделия в целом, использование блока активной коррекции коэффициента мощности обеспечивает ряд важных технических параметров. С функциональной точки зрения использование ККМ обеспечивает большую стабильность выходного тока и напряжения инвертора, при этом уменьшает влияние входного напряжения на выходные параметры. С другой стороны, по своей природе инвертор является импульсным устройством и нелинейной нагрузкой для питающей сети, поэтому несинусоидальный ток потребления приводит к искажению формы питающего напряжения. Используя блок ККМ, мы, фактически, поддерживаем величину входного тока, пропорциональную входному напряжению, и тем самым уменьшаем величину гармонических составляющих и повышаем коэффициент использования входной мощности, что позволяет более рационально использовать электроэнергию, снижая ее потребление прибором.

В линейке продукции компании Texas Instruments для управления питанием можно найти широкий спектр микросхем, позволяющих реализовать мощные AC/DC-преобразователи различного назначения, включая промышленные системы. Одним из решений при реализации ККМ в источнике с выходной мощностью 1 кВт и более является использование режима чередования фаз.

Общий принцип построения и работы блока ККМ с чередованием фазы представлен на рисунке 2. Как видно из рисунка, для увеличения выходной мощности два каскада ККМ включены параллельно на одну нагрузку. При таком включении выходной ток распределен между двумя каскадами, и величина используемой индуктивности, как и ее предельные токи, может быть уменьшена. Кроме индуктивности, менее строгие требования предъявляются и к другим силовым компонентам схемы: к ключевому транзистору, силовому диоду, выходному конденсатору. Использование меньших по размеру компонентов и разделение схемы на две составляющие позволяет обеспечить распределенное рассеяние тепла, так как силовые компоненты равномерно распределяются по всей площади печатной платы. Другой отличительной особенностью ККМ с чередованием фазы является сдвиг по фазе на 180° между параллельно работающими узлами. Такое включение дает ряд преимуществ по сравнению с реализацией однокаскадного ККМ на большую мощность или при простом параллельном включении двух каскадов. Так как каскады работают со сдвигом фаз 180°, то токовые пульсации, как по входу, так и по выходу, уменьшаются за счет взаимокомпенсации.

Рис. 2. Схема ККМ с чередованием фаз

Рис. 2. Схема ККМ с чередованием фаз

Из-за меньшей величины входных пульсаций в такой схеме ослабляются требования к входному фильтру электромагнитных помех. С другой стороны, малые пульсации по выходу дают возможность использовать выходной конденсатор с меньшим номиналом и меньшей величиной пробивного напряжения. Это упрощает создание блока питания с низким профилем, снижает стоимость реализации и обеспечивает более высокую надежность.

Реализация ККМ на UCC28070

UCC28070 – это одна из микросхем в линейке Texas Instruments, позволяющая реализовать коррекцию коэффициента мощности с использованием метода чередования фаз в режиме непрерывного тока. Помимо UCC28070, подобным функционалом также обладают UCC28060, UCC28061 и UCC28063, но они рассчитаны на меньшие мощности и предназначены для реализации ККМ в режиме граничных проводимостей. Для реализации режима ККМ с чередованием фазы в UCC28070 использованы два широтно-импульсных модулятора (ШИМ), работающих со сдвигом фазы, равным 180°. Как уже было отмечено, такой режим способствует снижению входных и выходных пульсаций тока и уменьшает требования к фильтру электромагнитных помех, а также помогает уменьшить себестоимость за счет использования выходного высоковольтного электролитического конденсатора меньшей емкости и c меньшими пробивными напряжениями.

Среди технических особенностей, реализованных в UCC28070, следует отметить размытие спектра, синхронизацию тактового генератора, управление скоростью нарастания выходного напряжения. Все эти и некоторые другие свойства UCC28070, наряду с реализацией топологии с чередованием фазы, позволяют достичь повышенных значений таких параметров как КМ, коэффициент гармоник, скорость реакции на переходные процессы. Применение UCC28070 позволяет получить коэффициент мощности более 0,9, а также обеспечить повышенный КПД во всем диапазоне нагрузок.

На рисунке 3 показана типовая схема применения UCC28070.

Рис. 3. Пример использования UCC28070

Рис. 3. Пример использования UCC28070

Как пример реализации корректора мощности с чередованием фаз на основе UCC28070, можно рассмотреть типовой дизайн PMP4311 (рисунок 4). Реализация предложенной схемотехники позволяет получить КМ более 0,98 при нагрузке до 5 кВт и входном напряжении в диапазоне 180…264 В [1]. При этом КПД решения – не ниже 95%.

Рис. 4. Корректор коэффициента мощности PMP4311

Рис. 4. Корректор коэффициента мощности PMP4311

Помимо UCC28070, в предложенном решении применены обратноходовой преобразователь на базе UCC28061 и драйверы силовых транзисторов UCC27322.

Драйверы затвора

UCC27322, используемый в типовом дизайне PMP4311, – один из представителей FET/IGBT-драйверов затвора, выпускаемых Texas Instruments. Основное назначение данного класса приборов – обеспечить необходимый ток заряда и разряда затвора мощных транзисторов. UCC27322 обеспечивает ток порядка 9 А для заряда емкости Миллера при напряжении питания до 15 В, для чего в драйвере используется технология TrueDrive. На рисунке 5 представлена линейка драйверов затвора производства Texas Instruments.

Рис. 5. Серия драйверов затвора производства TI

Рис. 5. Серия драйверов затвора производства TI

Широкая линейка драйверов затвора позволяет выбрать подходящую модель для управления различными типами транзисторов (MOSFET, IGBT), выполненных с использованием разных технологий (Si, SiC, GaN). Например, для управления GaN силовыми полевыми транзисторами рекомендуется использование драйверов LM5113 и UCC27611, которые обеспечивают защиту от превышения напряжения на затворе более 5 В.

Ниже, в качестве примера драйвера FET и IGBT, кратко рассмотрим линейку UCC2753x (рисунок 6).

Рис. 6. Функциональная блок-диаграмма UCC2753X

Рис. 6. Функциональная блок-диаграмма UCC2753X

Среди особенностей линейки UCC2753x можно выделить следующее:

  • малое время задержки – 17 нс;
  • широкий диапазон рабочих напряжений 10…35 В дает возможность использовать драйвер с широким спектром силовых транзисторов как для Si MOSFET, IGBT, так и для SiC FET;
  • наличие разделенного выхода (OUTH, OUTL) позволяет осуществлять независимую регулировку скорости изменения тока заряда и разряда затвора;
  • блокировка питания при пониженном напряжении питания.

Кратко о цифровом управлении

Такую же функциональность, как и в случае аналоговой схемы реализации ИИСТ, можно получить, используя цифровое управление. В таком источнике тока в качестве контролера инвертора и ККМ используется микроконтроллер. Система строится с использованием цифровых алгоритмов управления, выполняющихся микроконтроллером, и программируемого ШИМ для управления силовым каскадом.

Типовая схема цифрового источника питания включает микроконтроллер (МК), ШИМ, АЦП, силовой каскад (рисунок 7).

Рис. 7. Упрощенная диаграмма цифрового преобразователя

Рис. 7. Упрощенная диаграмма цифрового преобразователя

Для реализации цифрового источника питания важны следующие свойства:

  • АЦП должен обладать достаточной скоростью для управления петлей обратной связи. Кроме того, необходимо обеспечить его плотное взаимодействие с микроконтроллером и ШИМ для быстрого отклика системы;
  • сам МК должен обладать достаточной производительностью для вычисления необходимых функций управления при одновременном считывании данных с АЦП и управлении ШИМ;
  • ШИМ должен обладать достаточной гибкостью управления для реализации сложных топологий и обеспечения эффективного управления силовым каскадом;
  • необходимо наличие компаратора, встроенного в МК, для прецизионного управления выходами ШИМ и контроля силового каскада.

Все вышеперечисленные требования легко реализуются с помощью микроконтроллеров TI семейства С2000. Интегрированные АЦП данного семейства могут работать на частоте до 4,6 Мвыб/с, при этом обеспечивается плотная связка между АЦП и ШИМ. Сам ШИМ позволяет обеспечить точность порядка 150 пс. В чип интегрирован компаратор, который позволяет реализовать режим управления по пиковому току. Само ядро микроконтроллера содержит ряд аппаратных ускорителей, которые позволяют легко реализовать математические функции, необходимые для реализации цифрового источника питания. Обобщенный пример реализации цифрового преобразователя на базе С2000 приведен на рисунке 8.

Рис. 8. Пример использования C2000 в цифровом преобразователе напряжения AC/DC

Рис. 8. Пример использования C2000 в цифровом преобразователе напряжения AC/DC

Для простоты реализации цифрового преобразователя напряжения компания TI предлагает набор готовых библиотек и средства отладки для проверки их функциональности. Для быстрого старта при разработке цифрового источника питания для сварочных аппаратов на основе контроллера реального времени C2000 следует обратить внимание на демонстрационные наборы TMDSHVBLPFCKIT, TMDSHVPFCKIT, TMDSHVPSFBKIT и TMDSHVRESLLCKIT (рисунок 9) [3, 4].

Рис. 9. Демонстрационный набор TMDSHVRESLLCKIT

Рис. 9. Демонстрационный набор
TMDSHVRESLLCKIT

TMDSHVBLPFCKIT и TMDSHVPFCKIT показывают возможности реализации цифрового ККМ с чередованием фазы на базе микроконтроллеров TMS320F28035 и TMS320F28027 при работе от сети переменного тока с входным напряжением в диапазоне 85…265 В и выходным напряжением 390 В. Основное отличие между представленными наборами, кроме различных микроконтроллеров, поставляемых по умолчанию – это реализация в TMDSHVBLPFCKIT ККМ без входного выпрямительного моста. Оба набора могут использоваться совместно с TMDSHVPSFBKIT и TMDSHVRESLLCKIT для реализации полноценного цифрового AC/DC-преобразователя.

TMDSHVPSFBKIT и TMDSHVRESLLCKIT демонстрируют возможности реализации высоковольтного DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямителем на базе микроконтроллера TMS320F28027. С помощью TMDSHVRESLLCKIT можно легко проверить возможности реализации резонансного DC/DC-преобразователя и поэкспериментировать с различными методами управления. Имеющаяся в комплекте плата управления (controlCard) с TMS320F28027 в случае необходимости может быть заменена на аналогичную с другим микроконтроллером из семейства С2000. С помощью TMDSHVPSFBKIT также легко проверить возможности реализации цифрового мостового DC/DC-преобразователя.

Для простоты разработки все отладочные средства Texas Instruments поддерживаются обширной документацией, подробными примерами типовых решений и большим набором открытых исходных кодов, которые можно найти в среде controlSUITE, что существенно облегчает обучение разработчика. Для удобства отладки и экспериментирования все наборы имеют USB JTAG-интерфейс. Программирование модулей может быть осуществлено при помощи графических элементов среды разработки.

 

Заключение

Компания Texas Instruments предлагает современные решения для разработки передовых инверторных источников питания сварочных аппаратов. Инверторные источники питания позволяют создавать промышленные приборы для реализации различных методов сварки при производстве сложных и ответственных металлоконструкций из различных материалов, а демонстрационные наборы TI позволяют быстро начать собственную разработку. Надежные, высокотехнологичные компоненты TI дают возможность создавать передовые источники питания для сварочных аппаратов на базе как аналоговых, так и цифровых решений. Имеющиеся компоненты Texas Insruments позволяют реализовать различные функции AC/DC-преобразователей – от управления затворами силовых транзисторов до реализации отдельных блоков: ККМ, инвертора, системы управления.

 

Литература

  1. http://www.ti.com/product/ucc28070;
  2. http://www.ti.com/product/ucc27322;
  3. http://www.ti.com/tool/tmdshvpsfbkit;
  4. http://www.ti.com/tool/tmdshvresllckit.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_Piccolo_NE_05_15_opt

Скоростные драйверы MOSFET

UCC27321/2 – высокоскоростные драйверы, обеспечивающие пиковый ток до 9 А. Данные драйверы предназначены для управления мощными MOSFET, требующими высоких токов для перезаряда емкости Миллера при быстром переключении. Они служат интерфейсом между микроконтроллерами с низким энергопотреблением и мощными MOSFET. При нагрузке CL = 10 нФ драйверы обеспечивают фронты 20 нс, при этом время задержки управляющего сигнала составляет 25 нс для убывающего фронта и 35 нс для нарастающего. Использование драйверов позволяет уменьшить площадь платы управления за счет упрощения дизайна и использования одной микросхемы вместо множества дискретных компонентов. UCC27321/2 реализует два типа логики управления: с инвертированием (UCC27321) и без инвертирования (UCC273212) управляющего сигнала.

Рабочий диапазон напряжений драйверов – 4…15 В. Для обеспечения эффективного управления при низких напряжениях питания в драйвере применен гибридный выходной каскад (TrueDrive), использующий параллельное включение MOSFET и биполярного транзистора. Такая архитектура позволяет использовать драйвер в большинстве стандартных промышленных применений, требующих тока затвора значением в 6, 9 и 12 А. Встроенный паразитный диод интегрированного в драйвер MOSFET обеспечивает малый импеданс всплесков напряжения и позволяет во многих случаях отказаться от внешнего ограничивающего диода Шотки.

Для гибкости управления драйвером в микросхеме предусмотрен дополнительный вывод разрешения (ENBL). По умолчанию он подтянут к напряжению питания и может быть оставлен неподключенным при стандартном применении.

Драйверы доступны в нескольких корпусах – SOIC-8, PDIP-8, MSOP-8 PowerPAD. Корпус PowerPad обладает существенно меньшим температурным сопротивлением, что позволяет использовать драйвер при больших температурах и улучшить долговременную надежность.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонен ...читать далее