«Прямо» мостовые сварочники

Причины низкой надежности сварочных инвертеров, использующих топологии «полумост» и «мост». Разбор схем драйверов IGBT.

*»Прямо» мостовые сварочники «Straight» bridge welders
**https://www.youtube.com/watch?v=T27xsMFH5kY
***https://300.ya.ru/v_cdneFgOi

таймкоды

00:00:00 Введение

• Автор исследовал 30 схем сварочных инверторов и пришёл к неутешительным выводам о их надёжности.
• Большинство моделей используют IGBT в качестве силовых ключей.
• Лекция посвящена драйверам IGBT для полумостовой и мостовой схем.

00:00:24 Топологии и драйверы

• Применяются три топологии: полумост, полный мост и двухключевой прямоход.
• IGBT управляются драйверами с изолирующим трансформатором, схемы которых часто неудачные.
• Китайские производители копируют схемы без понимания принципа управления силовыми полупроводниковыми приборами.

00:01:35 Особенности топологий

• Мост состоит из двух полумостов и имеет вдвое более высокое выходное напряжение.
• Главная особенность — последовательное соединение IGBT и их поочерёдное переключение.
• Необходимо мёртвое время Dead Time, когда оба ключа закрыты одновременно.

00:02:08 Мёртвое время и его значение

• Мёртвое время предотвращает прострел shoot through и выход IGBT из строя.
• Пример неправильного управления с перекрытием управляющих импульсов показывает, что ток через каждый IGBT может достичь 1300 А.

00:03:46 Особенности работы IGBT

• IGBT состоит из полевого и биполярного транзисторов, что приводит к медленному запиранию и токовому хвосту.
• Из-за этих особенностей IGBT не используется при высокой частоте переключения выше 330 кГц.

00:05:48 Время задержки и мёртвое время

• Время задержки выключения IGBT значительно больше времени задержки включения.
• Минимальное мёртвое время должно быть не менее 1,5 микросекунд.
• Двухтактные SHIM-контроллеры обеспечивают мёртвое время только во время разряда частотно задающего конденсатора.

00:08:13 Эффект Миллера

• IGBT чувствителен к эффекту Миллера, который вызывает всплески напряжения между затвором и эмиттером.
• Для предотвращения микропрострелов требуется отрицательное смещение на затворах.

00:10:38 Проблемы с драйверами

• Большинство драйверов не обеспечивают отрицательное смещение на затворах, что снижает надёжность инвертора.
• Индуктивность рассеяния трансформатора имеет решающее значение для работы драйвера.

00:15:13 Новая схема драйвера

• Автор предлагает собственную схему драйвера с отрицательным смещением и нечувствительностью к индуктивности рассеяния.
• Схема содержит два двухобмоточных трансформатора и разделительные конденсаторы.
• Снаббер D4R4 активно подавляет звон, вызванный индуктивностью рассеяния.

00:18:36 Преимущества новой схемы

• Параметры драйвера идеальны: размах напряжения на затвор от -6,5 до +15 вольт, крутые фронты и плоские вершины.
• Возбуждение драйвера производится от ШИМ-контроллера, например, UC1846.
• Схема применяется более 20 лет в тяговых инверторах до сотен киловатт и никогда не подводила.

00:20:04 Заключение

• Анонс следующей лекции о драйверах косых мостов в сварочных инверторах.
• Благодарность за внимание и прощание.

Расшифровка видео

0:01
Здравствуйте, уважаемые любители
0:03
электроники.
0:05
Я подробно исследовал три десятка схем
0:08
сварочных инверторов
0:10
и пришёл к неутешительным выводам по
0:13
поводу их надёжности.
0:16
За редким исключением, все модели
0:19
используют IGBT в качестве силовых
0:22
ключей.
0:25
Применены три основных топологии:
0:28
полумост, полный мост и двухключевой
0:31
прямоход. На жаргоне косой мост.
0:36
IGBT управляются драйверами с
0:39
изолирующим трансформатором.
0:42
При этом схемы драймеров весьма
0:45
неудачные. Китайские производители тупо
0:49
копируют друг у друга без надлежащего
0:52
понимания принципов управления силовыми
0:56
полупроводниковыми
0:58
приборами.
1:00
А ведь именно от драйверов в первую
1:03
очередь зависит надёжность работы
1:06
силовых ключей.
1:09
Эта лекция посвящена именно драйверам
1:13
IGBT
1:15
для полумостовой и мостовой схем.
1:20
Лекция в формате PDF доступна для
1:23
скачивания по ссылке в описании. Имя
1:27
файла welding inverters-1pdf.
1:33
Особенности
1:36
топологий: мост и полумост.
1:40
Эти две топологии по принципу работы
1:42
ничем не отличаются друг от друга.
1:45
Просто мост состоит из двух полумостов и
1:48
имеет поэтому вдвое более высокое
1:51
выходное напряжение.
1:54
Главная особенность — это
1:56
последовательное соединение IGBT
2:00
и их поочерёдное переключение из
2:03
открытого состояния в закрытое и
2:06
наоборот.
2:08
При этом абсолютно необходим промежуток
2:11
времени, когда оба ключа закрыты
2:15
одновременно.
2:17
Он называется мёртвым временем. Dead
2:20
time.
2:22
Если по какой-либо причине оба ключа
2:25
полумоста откроются одновременно,
2:28
произойдёт прострел shoot through, и оба
2:34
мгновенно выйдут из строя. Вот здесь на
2:38
рисунке упрощенная схема полумоста из
2:42
пары двух IGBT с драйверами, условно
2:46
изображёнными вот так вот. V2 V4.
2:51
Дальше левый график. Вот этот.
2:54
Правильное управление. Присутствует
2:57
мёртвое время, 2,5 микросекунды. Вот оно
3:01
здесь выделено, когда оба ключа закрыты.
3:08
При этом токй IGBT равен току через
3:14
нагрузку. Это 30 А.
3:17
А вот справа
3:20
это неправильное управление с
3:22
перекрытием управляющих импульсов во
3:25
времени. Тоже здесь выделено ток через
3:29
каждый IGBT.
3:31
Здесь уже будет 1.300
3:35
А, представляете? 1.300 А. Но,
3:39
естественно, при этом оба IGBT мгновенно
3:45
выгорают.
3:47
Итак,
3:49
выяснили, что мёртвое время абсолютно
3:52
необходимо,
3:53
но какова же его минимальная величина?
4:00
Особенности работы и управления IGBT.
4:04
Хвосты и задержки.
4:07
IGBT — это полупроводниковый
4:09
переключающий прибор, внутренне
4:12
состоящий из двух транзисторов: полевого
4:16
и биполярного, как показано вот здесь на
4:20
рисунке.
4:23
При всех достоинствах этот прибор имеет
4:26
существенный недостаток.
4:28
Медленное запирание биполярного
4:32
ПНП-транзистора
4:33
с подвешенной базой при полностью
4:36
запертом полевом транзисторе. Вот тут
4:39
это хорошо видно. Когда полевой
4:41
транзистор заперт, биполярный
4:43
оказывается с подвешенной базой и
4:46
поэтому запирается очень и очень
4:50
медленно.
4:53
Так вот, это вызывает значительную
4:56
задержку запирания. после подачи
4:59
запирающего импульса на затвор.
5:02
А также токовый хвост называется Current
5:06
Tail, составляющий около 10%
5:10
от тока коллектора до начала запирания.
5:16
Этот хвост спадает до нуля в течение
5:19
примерно 1но микросекунды,
5:23
что весьма немало.
5:25
У силовых полевых транзисторов такого
5:28
хвоста не имеется.
5:30
По этой причине IGBT не используется при
5:35
высокой частоте переключения.
5:38
Обычно не выше 330 кГц,
5:42
хотя встречаются маломощные приборы,
5:45
допускающие до 100 кГц.
5:48
Есть у них одна опасность. Время
5:51
задержки выключения.
5:54
значительно больше времени задержки
5:58
включения.
6:00
Вот здесь вот в таблице показаны
6:02
скоростные свойства распространённого
6:05
IGBT вот такого типа FGL60N100.
6:11
У него максимальный ток 100 А и
6:14
напряжение 1.000 В. Так вот, у этого
6:18
IGBT
6:20
вот такое вот время задержки включения и
6:24
вот такое время задержки выключения.
6:29
А разность между ними аж 490 наносекунд.
6:34
Это полмикросекунды.
6:36
А если ещё добавить микросекундный
6:40
хвост, так получится целых полторы.
6:44
Поэтому минимальное мёртвое время должно
6:47
быть не менее полутора микросекунд,
6:52
о чём разработчики не всегда помнят, и
6:55
это вызывает проблемы.
6:58
Дело в том, что применяемые двухтактные
7:01
ШИМИ-контроллеры,
7:03
вот такие UC3846,
7:06
UC3825,
7:09
SG3525,
7:11
они обеспечивают мёртвое время только во
7:16
время разряда частотнозадающего
7:19
конденсатора. Разрядный ток обычно 10
7:23
мА, но микросхема вот эта SG3525
7:28
разрешает этот конденсатор через внешний
7:30
резистор, но максимальный ток разряда
7:33
всё равно 10 мА.
7:36
Так вот, для достижения мёртвого времени
7:39
2,5 микросекунды требуется ёмкость время
7:44
задающего конденсатора 12 нанофарад.
7:49
Но только у одной единственной модели,
7:52
вот этой вот, я увидел такую ёмкость.
7:57
Обычно она от 1.000 пикофарад до 5100
8:01
пикофарад, что явно недостаточно,
8:07
и это может скомпрометировать
8:09
надёжность. Обычно так и бывает.
8:13
Особенности
8:15
работы и управления IGBT. Эффект
8:19
Миллера.
8:21
IGBT имеет относительно небольшую
8:25
входную ёмкость, потому что это ёмкость
8:28
сравнительно маломощного полевого
8:30
транзистора.
8:31
Поэтому он очень чувствителен к эффекту
8:35
миллера. Вот здесь на рисунке, когда вот
8:39
этот вот верхний IGBT быстро
8:42
открывается, напряжение между эмитером и
8:46
коллектором вот этого нижнего IGBT очень
8:50
быстро нарастает,
8:52
а это неизбежно вызывает быстрый заряд
8:56
вот этой вот паразитной ёмкости между
9:00
затвором и коллектором. Здесь обозначено
9:03
C2.
9:05
Ток заряда этой ёмкости вызывает падение
9:08
напряжения на внутреннем, да ещё и
9:11
внешнем сопротивлении затвора. Здесь оно
9:15
изображено вот RG2.
9:18
А это, в свою очередь, вызывает всплеск
9:22
положительного напряжения между затвором
9:26
и эмитром этого самого IGBT, и поэтому
9:30
его возможное кратковременное открывание
9:34
и короткий прострел.
9:38
Это вызывает постепенную деградацию LGBT
9:41
и со временем выход его из строя.
9:46
Как предотвратить такие микропрострелы?
9:50
Способ известен: подача отрицательного
9:53
смещения затвормитр в закрытом
9:56
состоянии, так чтобы напряжение на
10:00
затворе даже с миллеровской добавкой не
10:04
превышало порога открывания IGBT. Обычно
10:08
это около 5 В, но при нагреве этот порог
10:12
снижается. Лучше его вообще
10:16
не превышать нуля.
10:18
Для сварочных инверторов при напряжении
10:21
питания всего 300 В достаточно -5 В
10:25
смещения, но для более мощных на десятки
10:29
киловатт требуется -10-15
10:32
В.
10:34
А что же мы имеем на практике?
10:39
IGBT драйверы с трансформаторной
10:42
изоляцией.
10:44
Абсолютное большинство полумостовых и
10:47
мостовых сварочных инверторов имеют вот
10:52
такую вот схему драйвера, как здесь
10:56
изображено.
10:57
Здесь
10:59
V2 и V4 такие вот источники напряжения.
11:03
Реально это противофазные выходы
11:06
ШИМ-контроллера
11:08
UC3825
11:10
или же дополнительно буферизованные
11:13
выходы контроллеров SG3525
11:18
или UC3846.
11:22
Мостовые инверторы просто имеют две вот
11:26
таких вот схемы, работающих
11:29
одновременно.
11:32
Так вот, в такой схеме драйвера
11:34
индуктивность рассеяния трансформатора
11:38
вот этого вот это leage inductance имеет
11:42
очень важное значение, я бы сказал,
11:45
решающее.
11:47
К сожалению, её трудно уменьшить из-за
11:50
необходимости хорошей изоляции
11:54
между обмотками, то есть между первичной
11:57
и вторичной, а также между вторичными.
12:02
Вот он такая вот стандартная конструкция
12:06
этого трансформатора.
12:08
Это заводская модель.
12:12
При указанной вот такой вот стандартной
12:14
конструкции, как здесь, тремя
12:17
проводочками
12:19
на феритовом колечке, можно получить
12:25
индуктивность утечки примерно
12:29
от индуктивности первичной обмотки.
12:34
Есть, правда, любительские конструкции с
12:37
очень малой индуктивностью рассеяния, ну
12:40
или утечки, что то же самое, до
12:43
однойдвухтысячной от первичной, как
12:46
показано вот здесь на рисунке. Видите,
12:48
какая красивая самоделка. Трансформатор
12:52
намотан на феритовом кольце тремя
12:55
скрученными вместе изолированными
12:57
проводами. Здесь можно получить очень
13:00
небольшую индуктивность рассеяния.
13:03
Но размер тут будет большой, и такая
13:06
конструкция вряд ли пригодна для
13:10
промышленного производства.
13:13
Вот здесь на графиках напряжение
13:16
затвормитр
13:18
верхнего и нижнего IGBT при
13:22
индуктивности рассеяния самодельного
13:25
трансформатора
13:27
одну микрогенри.
13:30
А вот здесь фабричного четыре
13:34
микрогенри. Как видите, разница весьма
13:37
велика, но всё равно даже здесь вот
13:41
такой драйвер не обеспечивает
13:44
отрицательного смещения на затворах,
13:49
что не способствует надёжности
13:52
инвертора. Видите, здесь при включении
13:56
нижнего
14:00
нет отрицательного смещения на верхнем и
14:03
наоборот. Поэтому вот тут и возникают
14:06
микропрострелы.
14:09
Ну а при стандартном трансформаторе, как
14:11
вот здесь, ну, тут вообще полный швах.
14:15
Я удивляюсь, как такое чудо вообще хоть
14:18
как-то работает. Но ведь работает же,
14:21
хотя вряд ли долго.
14:24
Вон тут какие прострелы наблюдаются.
14:28
Встречал я попытки избавиться вот от
14:31
этого вот звона, вызванного
14:34
индуктивностью рассеяния, просто
14:37
увеличением номиналов всех вот этих
14:39
резисторов в три раза. И что же? Да, вот
14:42
такой звон пропадает.
14:45
Но потери при переключении на каждом из
14:50
IGBT очень сильно возрастают из-за
14:53
медленного переключения. Ведь увеличение
14:57
резисторов вызывает медленное
14:59
переключение и, соответственно, большие
15:01
потери. А что это означает? А это опять
15:05
снижение надёжности. Тут куда не кинь,
15:09
везде клин.
15:13
А здесь я покажу свою собственную схему
15:17
полумостового или мостового драйвера,
15:21
пригодную для инверторов любой мощности.
15:24
Схема сложнее предыдущей и содержит два
15:28
двухомоточных трансформатора.
15:31
Но, кстати, в случае полного моста
15:35
трансформатора всё равно будет два.
15:39
Просто они станут трёхообмоточными.
15:43
Поэтому
15:45
никакого особого преимущества в простоте
15:48
предыдущей схемы уже не будет. Так что
15:53
практически разность разница в сложности
15:56
пропадает.
15:59
Но важнейшее преимущество данной схемы
16:02
отрицательное смещение на затворах
16:06
и нечувствительность к индуктивности
16:10
рассеяния трансформаторов.
16:12
Здесь отлично подойдут стандартные
16:15
заводские.
16:17
Ещё важное достоинство
16:19
полное отсутствие подмагничивания
16:23
сердечников-трансформаторов
16:25
из-за разделительных конденсаторов
16:29
С4 и С8, которые блокируют постоянную
16:35
составляющую.
16:37
В предыдущей же схеме подмагничивание
16:39
хоть и невелико, но присутствует.
16:44
И последний штрих. Цепочки
16:48
R1 C2 и R5 C6.
16:54
Их обычно не применяют, а я применяю
16:57
всегда. Они гасят затухающие колебания в
17:02
момент включения инвертора.
17:06
Эти колебания вызваны резонансным
17:10
резонансом контура.
17:13
из вот этого вот разделительного
17:15
конденсатора C1 и индуктивности
17:19
первичной обмотки трансформатора.
17:23
Обычно конструкторы забывают о них, а
17:27
зря они могут преподнести сюрприз.
17:31
Так откуда же в этой схеме взялась
17:34
нечувствительность к индуктивности
17:38
рассеяния?
17:39
А вот что помог вот этот снайпер D4 R4,
17:45
который активно подавляет звон,
17:48
вызванный индуктивностью рассеяния
17:51
трансформатора, которая вот здесь
17:53
условно изображена, и ёмкостью затвора.
18:01
Вот здесь вот на графиках
18:04
показаны
18:06
осцилограммы,
18:08
напряжение между затвором и эмитером
18:12
каждого из IGBT.
18:16
И это при индуктивности рассеяния четыре
18:20
микрогенери, а не один. То есть это
18:23
такой стандартный заводской дешёвый
18:26
трансформатор.
18:29
Как мы видим, параметры этого драйвера
18:32
просто идеальные.
18:34
Размах напряжения на затворах от -6,5
18:39
до +15
18:41
В.
18:44
Ну, можно сделать и от -15 до +15, это
18:48
несложно.
18:50
Дальше крутые фронты,
18:54
как положительные, так и отрицательные,
18:59
а также плоские вершины. Всё просто
19:02
прекрасно.
19:04
Возбуждение же вот такого вот драйвера
19:08
производится от ШИМ-контроллера.
19:11
Я обычно использую UC 1846,
19:15
не 3846,
19:17
а вот такой вот 1846, который дорогой
19:22
для высокой надёжности и широкого
19:24
диапазона температур. Питание его я
19:27
выбираю обычно 25 В. Ну и дополнительные
19:32
буферы требуются на парах биполярных
19:35
транзисторов. Малый или средней мощности
19:39
в зависимости от параметров HGBT, какой
19:42
ток затвора требуется. Иногда требуется
19:44
и много ампер, тогда применяются буферы
19:48
на транзисторах средней мощности.
19:51
Так вот, я применяю эту схему более 20
19:54
лет в тяговых инверторах до сотен
19:58
киловт. И ни разу она меня не подвела.
20:04
Продолжение следует. В следующей лекции
20:08
я разберу драйверы так называемых косых
20:11
мостов в сварочных инверторах.
20:14
Благодарю за внимание. До свидания. До
20:17
следующих встреч. Вопросы и пожелания
20:20
по-прежнему сюда. Мой адрес электронной
20:23
почты не изменился.