Новинка от ONS: IGBT для сварочного оборудования

4 июня 2015

Компания ON Semiconductor выпускает IGBT с тремя рейтингами напряжения – 600/650/1200 В, используя технологии производства Field Stop Trench и Field Stop II Trench, а также группу Trench-транзисторов, оптимизированных специально для построения сварочных инверторов. Эти IGBT позволяют создавать инверторы push-pull, мостовой, полумостовой и полумостовой асимметричной топологий.

Номенклатура мощных IGBT производства компании ON Semiconductor насчитывает почти сотню наименований, из них более двадцати подходят для создания сварочных инверторов, построенных по различным топологиям.

В 2012 году компания ON Semiconductor начала выпускать IGBT по технологии Field Stop Trench для сварочных инверторов. В 2013 году на рынке появились первые представители технологии Field Stop II Trench. В 2014 году была выпущена специализированная линейка IGBT NGTBxxN60Sxx, разработанная специально для создания сварочных инверторов.

Данные группы транзисторов не конкурируют друг с другом. Характеристики их таковы, что созданная линейка предоставляет разработчику возможность оптимального выбора подходящего ключа с учетом рабочего напряжения, напряжения насыщения, энергии на переключение и так далее.

Необходимо понимать, что IGBT, предназначенные для сварочных инверторов, должны отвечать целому ряду требований. При выборе транзисторов недостаточно учитывать только уровни токов и напряжений, представленных в документации. Важно помнить о целом ряде особенностей работы в данном конкретном приложении.

Рассмотрим анализ требований к силовым транзисторам, работающим в условиях жестких переключений, особенности инверторов с наиболее популярными топологиями (push-pull, мостовой, полумостовой, асимметричной полумостовой), а также обзор специализированных IGBT производства компании ON Semiconductor.

Режимы переключения IGBT-транзисторов

Одним из важнейших требований к IGBT для сварочных инверторов является способность устойчивой работы в условиях жестких переключений.

Работа в условиях мягких переключений не представляет особой проблемы для силовых ключей – коммутации происходят при нулевых либо небольших значениях токов или напряжений. Самым очевидным примером такого режима является работа с чисто резистивной нагрузкой (рисунок 1а).

Рис. 1. Режимы переключения IGBT

В этом случае режим переключения транзисторов оказывается максимально мягким. Формы токов и напряжений практически прямоугольные и без выбросов. Несмотря на наличие токового «хвоста» при выключении IGBT, динамические потери (Pвкл + Pвыкл) остаются низкими. Основная же часть потерь – потери проводимости (кондуктивные потери, Pконд).

Совсем другая картина наблюдается при жестких переключениях, которые происходят при ненулевых токах и напряжениях. Ярким примером такого режима является коммутация индуктивной нагрузки (рисунок 1б). При включении и выключении IGBT ток через индуктивность изменяется не скачком, а плавно. Наиболее жестким моментом является выключение транзистора. Накопленная в индуктивности энергия приводит к возникновению выброса напряжения. Чем больше накопленная энергия — тем мощнее выброс напряжения. Он может привести к пробою IGBT.

Вторым негативным аспектом при таких коммутациях является значительное возрастание мощности потерь при переключениях.

Для борьбы с выбросами напряжения в высокочастотных схемах применяют демпфирующие RC-цепочки или обратные диоды (рисунок 1в).

Все вышеназванные негативные последствия жестких переключений при индуктивной нагрузке относятся и к IGBT сварочных инверторов. В сварочных аппаратах нагрузкой инвертора выступает индуктивность – первичная обмотка мощного ВЧ-трансформатора.

В итоге можно выделить общие требования к IGBT для инверторов сварочных аппаратов:

• устойчивость работы при жестких переключениях;
• устойчивость к выбросам напряжений даже при наличии защитных цепочек;
• минимальные значения энергии на включения (Евкл) и выключения (Евыкл) для минимизации динамических потерь;
• высокие рабочие частоты для возможности снижения габаритов ВЧ-трансформатора;
• максимально низкое напряжение насыщения «коллектор-эмиттер» Uкэ нас при сохранении высоких рабочих частот.

Перечисленные требования являются общими, часть характеристик определяется особенностями конкретной применяемой топологии инвертора (таблица 1, рисунок 2).

Рис. 2. Наиболее популярные топологии инверторов сварочных аппаратов

Таблица 1. Характеристики различных топологий инверторов

Уровень напряжения на IGBT. Для большинства схем рабочее напряжения на ключе должно быть выше выпрямленного значения напряжения сети (Udc). Единственным исключением является топология push-pull. Для нее напряжение на ключах превышает 2×Udc.

Это достаточно важное обстоятельство. Как известно, в соответствии с ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) с 2003 года номинальное действующее напряжение бытовых электрических сетей составляет 230 В +6/-10%. Это означает, что в худшем случае амплитуда напряжения составит почти 350 В. Поэтому в схеме Push-Pull к транзистору будет приложено удвоенное значение 720 В. Таким образом, в схеме Push-Pull не могут быть использованы транзисторы с распространенными рабочими напряжениями 600 и 650 В.

Значения коммутируемых токов. Большая мощность сварочных аппаратов требует больших токов, коммутируемых инвертором. Стоит отметить, что при прочих равных условиях в случае симметричной полумостовой схемы для получения той же мощности на выходе необходимо протекание через IGBT вдвое больших токов. Это связано с тем, что к обмотке трансформатора всегда прикладывается только половина выпрямленного напряжения Udc/2.

Стойкость к коротким замыканиям. Все упомянутые топологии, за исключением ассимметричной полумостовой, имеют опасность протекания сквозных токов. Помимо возможных сквозных токов в основном каскаде могут возникать и аварийные короткие замыкания.

В любом из приведенных случаев при возникновении КЗ схема защиты должна успеть сработать до того, как силовые ключи выйдут из строя. По этой причине для приложений, работающих в жестких условиях, применяют особый класс IGBT с нормированным значением допустимого времени КЗ.

Типовые значения нормированных времен короткого замыкания составляют 5 и 10 мкс.

Наличие встроенных обратных диодов. За исключением асиммметричной полумостовой схемы, все топологии требуют наличия обратных диодов, параллельных транзисторам. По этой причине наличие в одном с IGBT корпусе быстродействующих диодов с малым временем восстановления является большим плюсом.

Компания ON Semiconductor выпускает широкий перечень мощных IGBT, отвечающих вышеперечисленным требованиям для различных топологий.

Базовым параметром при выборе IGBT является уровень рабочего напряжения. Номенклатура ON Semiconductor содержит три основных группы с напряжениями 600, 650 и 1200 В.

Обзор IGBT 600 В от ON Semiconductor

Транзисторы с рабочим напряжением 600 В, производства компании ON Semiconductor (таблица 2), обладают отличными характеристиками:

• ток коллектора – 35…75 А;
• напряжение насыщения – от 1,4 В;
• энергия на выключение – от 0,28 мДж;
• быстродействующий встроенный диод;
• время КЗ – до 5 мкс.

Таблица 2. IGBT 600 В для сварочных инверторов

Стоит отметить, что линейка мощных IGBT производства ON Semiconductor постоянно расширяется и состоит из трех групп с различными технологиями производства: Field Stop Trench, Field Stop II Trench и группа Trench-транзисторов, оптимизированных специально для построения сварочных инверторов (первые представители появились в 2014 году).

Все три технологии сосуществуют вместе, взаимно дополняя друг друга. Например, транзистор NGTB50N60FWG, выполненный по технологии FS Trench, является рекордсменом по величине напряжения насыщения (1,45 В). Наименьшей энергией на выключение обладают представители технологии FS II Trench: NGTB35N60FL2 и NGTB40N60L2 – от 0,28 мДж.

Особо отметим специализированную линейку транзисторов NGTBxxN60Sxx. Она создавалась специально для построения сварочных инверторов. Отличительной чертой этих IGBT является сочетание оптимального соотношения низкого напряжения насыщения и низкой энергии на выключение. Например, NGTB50N60S1 имеет напряжение насыщение 1,8 В при значении энергии на переключение всего 0,46 мДж. Лидерство по величине коммутируемого тока также остается за данной специализированной группой. Для NGTB75N60S величина тока достигает 75 А.

Говоря о предпочтительных топологиях построения инверторов, можно отметить, что для транзисторов, не имеющих допустимого времени работы при КЗ (NGTB60N60S, NGTB45N60S2, NGTB30N60S), оптимальным будет асиммметричная полумостовая схема, в которой протекание сквозных токов невозможно.

С помощью транзисторов с большим значением рабочих токов (NGTB60N60S, NGTB75N60FL2, NGTB75N60S) можно создавать наиболее мощные инверторы по любой из топологий. Возможно построение даже симметричной полумостовой схемы, которая требует повышенных значений тока для получения мощности, сравнимой с другими топологиями.

Специализированные транзисторы NGTBxxN60Sxx могут применяться для всех топологий, кроме push-pull.

Обзор IGBT 650 В от ON Semiconductor

Данная группа транзисторов является наиболее современной и включает только представителей, выполненных по технологии FS II Trench (таблица 3).

Таблица 3. IGBT 650 В для сварочных инверторов

Несложно заметить, что характеристики этих IGBT практически полностью совпадают с характеристиками транзисторов FS II Trench с напряжением 600 В. Единственное отличие – более высокий уровень напряжения – 650 В.

Данная линейка IGBT будет отличным выбором для любой из топологий, кроме push-pull. Для push-pull следует обратить внимание на транзисторы с напряжением 1200 В.

Обзор IGBT 1200 В от ON Semiconductor

Перечень IGBT 1200 В производства компании ON Semiconductor включает представителей всех трех технологий. Разработчику предоставляется широкий выбор при определении оптимального ключа.

Анализируя данный сегмент транзисторов, можно отметить их отличительные черты (таблица 4):

• ток коллектора – 15…50 А;
• напряжение насыщения – от 1,7 В;
• энергия на выключение – от 0,37 В.
• быстродействующий встроенный диод;
• время КЗ – до 10 мкс.

Таблица 4. IGBT 1200 В для сварочных инверторов

Как и в случае с группой транзисторов 600 В, IGBT, созданные по различным технологиям, не конкурируют, а взаимно дополняют друг друга. Однако рекордными характеристиками обладают FS II Trench: наибольшим током коллектора в 50 А отличается NGTB50N120FL2; наименьшая энергия на выключение в 0,37 мДж – у NGTB15N120FL2; наименьшее напряжение насыщения, равное 1,7 В – у NGTB30N120L2.

Тем не менее, следует уделить особое внимание транзисторам, разработанным специально для сварочных инверторов – NGTB25N120S и NGTB40N120S. Характеристики этих IGBT полностью совпадают с характеристиками сверхсовременных FS II Trench.

Высокий уровень рабочего напряжения 1200 В позволяет строить все типы инверторов, в том числе – push-pull.

Заключение

Компания ON Semiconductor выпускает IGBT с тремя уровнями напряжения – 600/650/1200 В, – с использованием нескольких технологий производства. Наряду с ключами, созданными по технологиям Field Stop Trench и Field Stop II Trench, существует группа Trench-транзисторов, оптимизированных специально для построения сварочных инверторов. Они способны работать в условиях жестких переключений и имеют весьма достойные характеристики:

• рабочие напряжения – 600 и 1200 В;
• токи коллектора – 25…75 А;
• напряжения насыщения – от 1,7 В;
• малые энергии на выключение (Евыкл) – от 0,28 мДж;
• время стойкости к короткому замыканию – 5 и 10 мкс;
• высокая степень устойчивости к жестким переключениям;
• встроенный обратный диод с низким падением и малым временем восстановления.

Представленные IGBT позволяют создавать инверторы основных топологий: push-pull, мостовой, полумостовой, полумостовой асимметричной.

Литература

1. IGBT Application Handbook, Rev. 3 – ON Semiconductor, 2014;
2. Документация с сайта http://www.onsemi.ru.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.