Сварочные инверторы: IGBT против MOSFET

Главным узлом современного сварочного аппарата является инвертор. По элементной базе, которая используется в таких устройствах, они делятся на два типа — IGBT и MOSFET. Каждому из них присущи свои преимущества и недостатки, иначе не выпускались бы инверторы обоих типов. В интернете не утихают дискуссии по поводу того, какой из них лучше. Давайте объективно разберемся в этом вопросе.

На входе инверторного сварочного аппарата установлен выпрямитель, который преобразует переменный ток с частотой 50 Гц в постоянный. Далее уже за дело берется так называемый инвертор, который преобразует постоянный ток в перемен-ный, но уже на более высокой частоте. Делается это главным образом для того, чтобы трансформатор, понижающий напряжение и одновременно повышающий максимальный ток в нагрузке, был как можно более легким и компактным. С этой точки зрения чем выше частота, тем лучше. Другая причина — для некоторых видов сварки качество сварного шва получается наилучшим, если сварка ведется переменным током с высокой частотой (обычно от 20 до 50 кГц). Но на практике в сварочных инверторах рабочая частота не превышает 65 кГц. Если использовать более высокую частоту, то выигрыш от уменьшения массы и габаритов трансформатора будет уже незначителен, но при этом появятся дополнительные проблемы с построением устройства.

В сварочных инверторах полупроводниковые приборы работают, как правило, в ключевом режиме. То есть в идеале в закрытом состоянии через прибор не должен протекать ток. А в открытом состоянии ток беспрепятственно протекает через прибор, при этом падение напряжения на клеммах электронного коммутатора должно быть в идеале равно нулю. Тогда на полупроводниковом приборе не рассеивается энергия и он не нагревается.

В реальности полупроводниковый прибор переключается из открытого в закрытое состояние за конечный промежуток времени. При переходном процессе и напряжение на его клеммах, и ток, протекающий через него, отличны от нулевых значений, что приводит к рассеиванию мощности. Чем быстрее прибор переключается из одного состояния в другое, тем меньше он нагревается и тем выше у инвертора КПД.

Потери, связанные с токами утечки в полупроводниковых коммутаторах в закрытом состоянии, при-менительно к сварочным инверторам пренебрежительно малы относительно потерь из-за отличия от нуля напряжения на клеммах в открытом состоянии. Поэтому фактор утечек при сравнении элементной базы в данном случае не рассматривается.
Инвертор в общем случае может быть построен на одном из следующих типов полупроводниковых приборов: тиристоры, биполярные транзисторы, MOSFET, IGBT.

Тиристоры

Первые электронные инверторы строились именно на этой элементной базе. Недостатком таких инверторов были громоздкость и относительно низкая надежность. В настоящее время инверторы на тиристорах считаются устаревшим решением, новые модели сварочных аппаратов с их ис-пользованием не разрабатываются.

Биполярные транзисторы

Ток, протекающий между эмиттером и коллектором в этих приборах, управляется силой тока, протекающего между эмиттером и базой. Отношение тока эмиттер-коллектор к току эмиттер-база обозначается как h21_э.

Для маломощных биполярных транзисторов h21э может достигать 1000. Но у мощных биполярных транзисторов h21э обычно небольшой — от 10 до 30. Из этого вытекает первый недостаток биполярного транзистора. Если мы коммутируем ток порядка 30 А (реальная ситуация для инвертора), то управляющий ток должен быть более 1 А.

То есть для управления мощным транзистором придется использовать усилитель тока, что усложняет конструкцию и снижает ее КПД.

В полностью открытом состоянии биполярный транзистор находится в режиме насыщения, когда напряжение между эмиттером и коллектором составляет стабильную величину U_нас (она составляет порядка 0,3–0,5 В), не зависящую от протекаемого между ними тока I_кэ. При увеличении температуры U_нас немного уменьшается.

Потери мощности на рассеивание тепла в биполярном транзисторе, находящемся в режиме насыщения, равны:

Р_расс = U_нас · I_кэ (1)

То есть в биполярном транзисторе потери мощности в открытом состоянии пропорциональны протекаемому через него току. Как мы увидим далее, это является преимуществом для сварочных инверторов.

Но все перекрывается вторым недостатком биполярных транзисторов высокой мощности – у них очень большое время выхода из режима насыщения. Поэтому на биполярных транзисторах строят в основном инверторы, работающие на частоте промышленного тока (50 или 60 Гц). Но для сварочных инверторов их быстродействия недостаточно.

MOSFET

В полевых транзисторах носители заряда движутся от истока к стоку. Между этими выводами расположен канал. Его сопротивление управляется электрическим полем, приложенным к затвору. Собственно, именно потому, что управление осуществляется электрическим полем, а не током, этот тип транзисторов и назвали полевым.

Современные полевые транзисторы имеют затвор, отделенный от канала тонким слоем диэлектрика (обычно это диоксид кремния).

Такая структура получила название MOSFET — аббревиатура от Metal-Oxyde-Semiconductor Field Effect Transistor. В русском языке существует аналогичный термин «МОП-транзистор» (МОП расшифровывается как «Металл-Окисел-Полупроводник»), который использовался несколькими поколениями советских инженеров. К сожалению, сейчас он почти полностью вытеснен в технической документации термином MOSFET, даже если речь идет о сварочных аппаратах отечественного производства. Поэтому здесь и далее мы, во избежание путаницы, будем использовать наиболее распространенный вариант написания.

В MOSFET ток через затвор практически не протекает (на самом деле затвор обладает емкостью, и переменный ток через него все же течет, но его сила на несколько порядков ниже, чем у тока базы в биполярном транзисторе). Это является важным преимуществом, поскольку для коммутации токов в десятки ампер не нужно строить мощные управ-ляющие цепи.

Открытое состояние у MOSFET также соответствует режиму насыщения. Но, в отличие от биполярного транзистора, выход из данного режима происходит намного быстрее. Это позволяет строить на основе MOSFET инверторы с рабочей частотой в десятки и даже сотни кГц.

Перечисленные преимущества привели к тому, что значительная часть современных сварочных инверторов производится на основе MOSFET. Тем не менее у MOSFET есть и недостатки, критичные с точки зрения применения в сварочном оборудовании. Причем эти недостатки связаны с самим физическим принципом функционирования данных приборов.

Режим насыщения у MOSFET характеризуется достижением минимально возможного значения сопротивления канала Rнас, которое далее не уменьшается при росте приложенного к затвору напряжения.

Потери мощности на рассеивание тепла в MOSFET, находящемся в режиме насыщения, равны:

P_{расс mosfet} = U_нас I_ис = (R_нас · I_ис) I_ис = R_нас I_ис2 (2),

где U_нас — напряжение исток-сток в режиме насыщения, I_ис — ток, протекающий через транзистор.

Отсюда следует важный вывод — потери мощности в MOSFET в открытом состоянии пропорциональны квадрату протекающего через него тока. Другая проблема — чем выше температура транзистора, тем выше сопротивление канала в режиме насыщения. Это может привести к ситуации, когда перегрев транзистора вызывает увеличение потерь мощности, что еще сильнее нагревает его и т. д. до полного выхода полупроводникового прибора из строя.

Поэтому в сварочных инверторах на основе MOSFET применяют параллельное соединение транзисторов в каждом плече — до 8 штук. Таким образом уменьшается сопротивление ключа в открытом состоянии, а также снижается нагрев отдельно взятого транзистора. Кроме этого, применяются мощные системы охлаждения.

В будущем перспективной элементной базой для построения сварочных инверторов могут стать MOSFET на основе карбида кремния (SiC). Но пока, несмотря на развитие данного направления, SiC-транзисторы не нашли применения в сварочных аппаратах. Возможные причины — высокая стоимость и более сложные, чем у обычных MOSFET, схемы блоков управления.

IGBT

Достоинства биполярных транзисторов и MOSFET были объединены в более современном типе транзисторов, получившем название IGBT. Эта аббревиатура образована от английских слов Isolated Gate Bipolar Transistor. Переводится этот термин как «Биполярный транзистор с изолированным затвором». Известна соответствующая аббревиатура БТИЗ, но в технической документа-ции она пока не прижилась.

IGBT имеет эмиттер, коллектор и управляющий вывод, именуемый затвором. Как и MOSFET, IGBT управляется электрическим полем. Но в режиме насыщения его свойства соответствуют биполярному транзистору. Также напряжение насыщения слабо зависит от температуры, поэтому IGBT устойчивы к перегреву.

Потери мощности в IGBT в открытом состоянии подчиняются той же формуле (1). Только напряжения насыщение побольше, чем у биполярного транзистора — оно составляет 1–2 В. Тем не менее необходимости соединять транзисторы параллельно для снижения потерь в данном случае уже отпадает.

IGBT по скорости выхода из режима насыщения сопоставим с MOSFET, хотя и несколько уступает им по данному параметру. Это позволяет строить на их основе сварочные инверторы, работающие на частотах порядка десятков кГц.

Сравнение IGBT и MOSFET

В итоге сварочный аппарат на основе MOSFET, как правило, больше по размерам и тяжелее устройства на основе IGBT, имеющего схожие функционал и технические характеристики. Но зато, при прочих равных условиях, сварочный аппарат на MOSFET стоит дешевле, чем на IGBT, хотя разница в цене быстро сокращается.

Сторонники MOSFET указывают, что эта техно-логия более надежна, т. к. отработана на протяжении десятилетий, когда IGBT стали массово применяться только в 2000-х годах. Тем не менее там, где применяют один IGBT, приходится использовать до 8 штук MOSFET, включенных параллельно. Меньше компонентов — выше надежность. Поэтому довод о более высокой надежности MOSFET не соответствует действительности.

Другое заблуждение: якобы IGBT — это только для профессионального применения, а для домашнего мастера вполне достаточно MOSFET. На самом деле все обстоит с точностью до наоборот. Сварочные аппараты на основе IGBT намного про-ще в использовании. Например, из-за перегрева у аппаратов на основе MOSFET чаще срабатывает защита, когда устройство отключается в самый неподходящий момент. Как «вырулить» из данной ситуации, опытный профессиональный сварщик знает, а домашний мастер или даже электрик, применяющий эпизодически сварку в своей работе, — нет. Малые размеры сварочного аппарата более критичны именно для тех, кто пользуется ими дома или в гараже, а не в специально оборудованном заводском цеху.

Тем не менее у аппаратов на основе MOSFET до сих пор есть одно преимущество по сравнению с IGBT — они проще в ремонте, если тот производится за пределами авторизованного сервис-центра. В России развит рынок бывших в употреблении сварочных аппаратов. К тому же в связи с санкциями со стороны западных компаний возможен ввоз в страну сварочных аппаратов по каналам, не предусматривающим авторизованное сервисное обслуживание.

MOSFET применяются в инверторах в основном в виде отдельных компонентов. Это позволяет без проблем подыскать при необходимости замену транзистору. В инверторах IGBT применяются, как правило, в составе модулей. Один такой модуль может включать в себя несколько транзисторов, а также диодов (реже — другие компоненты). Подыскать замену такому модулю гораздо сложнее, чем отдельному транзистору. Кроме этого, не будем сбрасывать со счетов и кадровую про-блему. Как работать с MOSFET, знает любой инженер по радиоэлектронике. А вот специалисты по применению IGBT пока что встречаются гораздо реже. Не факт, что при необходимости починить сварочный аппарат неизвестного происхождения такой специалист быстро найдется.

Отсюда можно сделать следующий вывод. Если вы приобретаете новый сварочный аппарат у вызывающей доверие компании, которая имеет представительство в России (или же является российским производителем), — инвертор должен быть на IGBT, без вариантов! Наиболее яркий пример — продукция ANDELI GROUP, о которой мы написали в этом номере журнала. Но в том случае, если аппарат выпущен давно, есть сомнение в доступности запчастей для него и возможности ремонта в авторизованном центре (при этом такой аппарат должен соответствовать принятым в России нормам безопасности, иначе им пользоваться недопустимо), тогда MOSFET, при всех его недостатках, будет приемлемым вариантом.