что лучше Igbt или Mosfet в сварочном инверторе

MOSFET или IGBT?

Сначала рассмотрим различия в целом. В настоящий момент все производители инверторов (ММА) выпускаются по двум полупроводниковым технологиям IGBT и MOSFET. Не буду вдаваться в подробности, скажу только то, что в схемотехнике этих аппаратов используются разные полупроводниковые транзисторы IGBT и MOSFET. Основое различие между этими транзисторами — различный ток коммутации. Большим током обладают транзисторы IGBT.

Для изготовления стандартного инвертора понадобится 2–4 IGBT транзистора (в зависимости от рабочего цикла), a MOSFET — 10–12, т. к. они не могут пропускать через себя большие токи, поэтому их приходится делить на такое большое количество транзисторов. Вот собственно в чем и отличие.

Тонкость в том, что транзисторы очень сильно греются и их необходимо установить на мощные алюминиевые радиаторы. Чем больше радиатор, тем больше съем тепла с него, а, следовательно, его охлаждающая способность. Чем больше транзисторов, тем больше радиаторов охлаждения необходимо установить, следовательно, увеличиваются габариты, вес и т. д. MOSFET здесь однозначно проигрывает.

На практике схемотехника MOSFET не позволяет создать аппарат на одной плате: т.е аппараты, которые сейчас есть в продаже, собраны в основном на трех платах. IGBT аппараты всегда идут на одной плате.

Теория против реальности

К сожалению, в жизни все не так просто, как кажется. Во многих реальных приложениях приходится идти на компромиссы и решать спорные вопросы. Цель данной статьи — рассмотрение «пересекающихся» областей, то есть схем, работающих с напряжением выше 250 В на частоте переключения между 10 и 200 кГц и при уровнях мощности свыше 500 Вт. В этих случаях окончательный выбор полупроводникового ключа должен производиться на основе таких факторов, как тепловое сопротивление, топология схемы, характеристики проводимости; следует учитывать и конструктив модуля (корпусирование).

Работающий в режиме переключения при нулевом напряжении (Zero-Voltage Switched — ZVS) корректор коэффициента мощности (PFC), схема которого приведена на рис. 4, является примером устройства, находящегося в «области пересечения» технологий IGBT и MOSFET.

Рис. 4. Типичная схема PFC, работающего в режиме ZVS-коммутации (дополнительный ключ Q2 нужен для сброса заряда вольтодобавочного диода Db, чтобы гарантировать переключение основного транзистора Q1 только при нулевом напряжении. Диод, включенный параллельно Q2, используется только для IGBT)

Измерения, проведенные в режиме «жесткой» коммутации, ясно показывают, что MOSFET имеют меньшие потери в ориентированных на них устройствах. На рис. 5 видно, что потери IGBT и MOSFET (IRFP460) примерно равны при снижении частоты переключения до 50 кГц. Это позволяет заменить мощные MOSFET на более компактные IGBT в некоторых приложениях, подобная ситуация наблюдалась до 1997 года. Однако теперь выпускаются MOSFET с меньшим зарядом, применение которых позволяет снизить динамические потери, поэтому данная технология вновь доминирует в устройствах, действующих с «жесткой» коммутацией на частотах выше 50 кГц.

Рис. 5. Режим «жесткой» коммутации PFC (частота 50 и 100 кГц, мощность 300 Вт)

На рис. 6 показан уровень потерь устройства, работающего в режиме ZVS (частота 50 кГц, мощность 500 Вт). Потери IGBT при комнатной температуре составляют 9,5 Вт, это выше, чем у MOSFET (7 Вт). С ростом температуры до значений, близких к условиям эксплуатации, потери на проводимость у MOSFET растут быстрее, нежели потери на переключение у IGBT.

Рис. 6. Режим ZVS PFC (частота 50 кГц, мощность 500 Вт)

Потери MOSFET при повышенной температуре увеличиваются на 60%, а суммарные потери IGBT возрастают лишь на 20%. При мощности нагрузки 300 Вт это делает характеристики обоих ключей почти одинаковыми, а при 500 Вт преимущество оказывается на стороне IGBT.

На рис. 7 демонстрируется уровень потерь в других условиях: 134 кГц, 500 Вт при повышенной температуре. Потери IGBT в этих условиях (25,2 Вт) оказываются чуть выше, чем у MOSFET, чьи суммарные потери составляют 23,9 Вт. При комнатной температуре в одном и том же устройстве величина потерь была 17,8 и 15,1 Вт соответственно. Потери на переключение увеличиваются с ростом частоты, что снижает преимущества IGBT при высокой температуре, но меньшей частоте переключения. Это иллюстрирует основную идею данной статьи: не существует железного правила, пригодного на все случаи и позволяющего определить, какой полупроводниковый прибор будет максимально эффективным для конкретной схемы. В зависимости от заданного уровня мощности, типа рассматриваемого устройства, новейшей технологии, имеющейся для каждого типа транзистора, результат будет меняться незначительно.

Рис. 7. Режим ZVS PFC (частота 134 кГц, мощность 500 Вт)

Что лучше MOSFET или IGBT?

Некоторые компании идут в ногу со временем и при производстве сварочных инверторов используют IGBT транзисторы американской , частота переключения которых составляет 50 кГц, т. е. 50000 раз в секунду. IGBT технологию выбрали неспроста, ведь рабочий диапазон температур у них с сохранением параметров гораздо больше, чем у MOSFET, т. е. при нагреве у MOSFETa падают качественные характеристики.

В конструкции САИ (Ресанта) используется одна маленькая плата, которая устанавливается вертикально, а также 4 IGBT транзистора (работают обособленно друг от друга, т. е. не выгорают все, если выгорел один как у MOSFET) и 6 диодов-выпрямителей (а не 12 как у MOSFET), соответственно отказоустойчивость ниже. Это ещё один «плюс» IGBT.

Можно напомнить покупателю о том, что в современных сварочных инверторов используется только 4 обособленных транзистора, а не 12 каскаднозависимых как у MOSFET. Всякое в жизни бывает, но, чтобы не произошло в случае выхода из строя одного транзистора (если не гарантийный случай), замена покупателю обойдется где-то в районе 400 р., а не 12×110 р. = 1320 р. Думаю, что разница приличная.

Как отличить: Визуально аппараты IGBT в большинстве своём отличаются от MOSFET вертикальным расположением силовых разъёмов, т. к. плата одна и обычно устанавливается вертикально. У MOSFET аппаратов выходы обычно расположены горизонтально, т. к. платы в конструкции горизонтально закреплены. Нельзя точно утверждать, что это верно на 100%. Точнее можно сказать, сняв кожух с аппарата.

Многие на транзисторах. Так, например, в настоящий момент выпустила на рынок аппараты (по технологии MOSFET) с наклейками на боковых панелях «Используются транзисторы TOSHIBA» а также «Используются транзисторы Mitsubishi». Пытаются выползти на громких и знакомых брендах. На практике это не подтвердилось. Так на крупнейшей Международной инструментальной выставке России Moscow International Tool Expo (MITEX-2011), которая проходила в ноябре 2011г. в «Экспоцентре» (г. Москва), я попросил представителей стенда данной компании разобрать их САИ с наклейкой «Используются транзисторы Mitsubishi» и продемонстрировать данные транзисторы. В итоге сварочные инверторы разобрали, но данных транзисторов не обнаружили. Сами сотрудники были в шоке, обнаружив безымянные транзисторы.

Источник

Не нужно на 100% разбираться в премудростях электротехники, чтобы высказать мнение по теме. Заголовок «MOSFET или IGBT?» напоминает старое соревнование форматов: VHS или DVD? Кто же победит? И пусть скажут, сравнение не корректное. Но, DVD формат великолепный, качество звука и изображения замечательные, а мы все так привыкли к старому доброму VHS…

Для тех, кто не понимает о чем идет речь, поясним. На сегодняшний день существует две технологии изготовления сварочных инверторов,

Возникает закономерный вопрос: что же выбрать старое, проверенное временем, или относительно новое, но более технологичное?

Попробуем привести пару доводов и, как говорится, ближе к «телу»…

Что не говори, а IGBT занимают меньший объем и при этом позволяют получить более высокую силу тока на выходе, они меньше нагреваются. Разве это не аргумент в пользу IGBT? Возражения же заключаются в том, что схемы IGBT покамест не идеально продуманы и т.д., разработчикам не было времени на это и они звучат «натянуто».

Конечно, если покупать инвертор для бытовой сварки, то не так уж важно, какие у него транзисторы внутри. Вообще не важно, что внутри. Главное, чтобы электрод поджигался нормально, дуга не прыгала туда-сюда, чтобы электрод не залипал. Так же, желательно, чтобы инвертор работал при пониженном напряжении в сети, не боялся забросов напряжения, чтобы желтая лампа перегрева редко зажигалась.

Если речь идет о небольших объемах бытовых работ, то практически любой инвертор в этом станет вашим надежным другом и товарищем, та же Ресанта или Сварог, или Фубаг, или отечественный Форсаж и т.д. и т.п.

Но что, если нужен профессиональный аппарат, когда варить придется целый день. Наше мнение, здесь лучше IGBT. Почему? Возьмем для примера сварочный аппарат РICO 180— это же прелесть, а не сварочник! Приведем в качестве примера его систему охлаждения. Она интеллектуальная и включается только тогда, когда транзисторы нагреваются. А в РICO даже после 15 и более минут сварки на небольших токах вентилятор не шелохнется. Это значит, что схемы холодные, корпус аппарата холодный. И все это IGBT, они греются менее интенсивно, чем MOSFET и на более высоких токах. Ну и что мне с этого, скажете Вы? Очень просто. Чем меньше работает вентилятор, тем лучше! Особенно если Вы работаете в запыленных помещениях. Основной враг инвертора — это пыль. Она является основной причиной досрочного выхода инверторов из строя. Соответственно, чем меньше пыли затягивается в сварочный аппарат, тем лучше! А это значит, чем дольше не включаются кулеры, тем лучше! Получить это можно только с IGBT.

Несомненный плюс так же состоит в том, что достигается высокая мощность при еще более малом весе. Каждый грамм играет роль, если приходится целый день носить инвертор на плече.

Минус в свое время был в дороговизне ремонта IGBT и невозможности подчас найти запчасти. Но время идет, техника совершенствуется, а то, что было раньше дорогим и недоступным, становится обыденным и легкозаменяемым! Так что наше мнение, будущее за новыми технологиями. А Вы как думаете? Стоит с этим согласиться?

Сегодня уже ни для кого не секрет кто выиграл в битве «VHS или DVD».

Источник

Что выбрать: MOSFET или IGBT -инвертор?

первая основана на базе полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) и пользуется успехом на правах «старого, работающего и проверенного варианта»
вторая — на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Это инновационная технология, новое поколение и тому подобное.

Попробуем привести пару доводов и, как говорится, ближе к «телу»…

Сегодня уже ни для кого не секрет кто выиграл в битве «VHS или DVD».

Транзисторы для сварочных инверторов

Время чтения: 6 минут

За последние 100 лет технология сварки претерпела значительные изменения. Классические сварочные аппараты были усовершенствованы, а в продаже появились совершенно новые устройства. Наибольший вклад в развитие домашней и любительской сварки внесло изобретение инверторного сварочного аппарата. Его электронная «начинка» позволяет внедрить функции, которые недоступны классическому трансформатору или выпрямителю.

А если в сварочном аппарате применяется электроника, значит, используются и транзисторы. В этой статье мы подробно расскажем, что такое транзистор, какие транзисторы используются в сварочных инверторах и чем отличаются транзисторы IGBT в сварочном аппарате от транзисторов MOSFET.

Общая информация

Транзисторы — что это такое? Наверняка каждый, кто хоть раз сталкивался с ремонтом или банальной разборкой радиоэлектроники, слышал этот термин. Говоря простыми словами, транзистор — это электронная деталь с выводами, изготовленная из полупроводникового материала. Основная функция транзистора — это усиление или генерирование электрических сигналов, поступающих извне. Также с помощью транзисторов выполняется коммутация.

На данный момент транзисторы есть в любом электронном приборе и являются один из важнейших компонентов. В середине прошлого века сразу несколько ученых получили Нобелевскую премию за изобретение транзистора. И с тех пор это небольшое приспособление кардинально изменило мир электроники.

Транзисторы очень маленькие и компактные. Они экономичны, их производство стоит недорого. Несмотря на свой скромный размер, транзистор устойчив к механическому воздействию и долговечен. Также транзисторы способны исправно работать при низком напряжении и при высоких значениях тока. Именно благодаря этим достоинствам к концу 20-го века транзисторы стали неотъемлемой частью каждого электронного прибора. В том числе, у инверторных сварочных аппаратов.

С помощью транзисторов удалось собрать компактную схему и внедрить ее в инвертор. Таким образом, существенно снизились размеры и вес сварочного аппарата. На данный момент производители предлагают инверторы весом до 5 кг, которые можно положить в рюкзак и взять с собой на выездные работы. Также такие аппараты незаменимы при сварке на высоте или в труднодоступных местах.

В сравнении с обычным трансформатором, который использовался раньше для сварки, инверторы намного проще в освоении. А наличие дополнительных функций (например, функции горячего старта или антизалипания) помогает новичкам как можно скорее приступить к работе. И все это заслуга транзисторов.

Транзисторы в инверторах

Транзистор — это один из главных компонентов современного сварочного инвертора. Без него инвертор в принципе не будет так называться. И, поскольку сварочные инверторы уже прочно вошли в нашу жизнь, то нелишним будет узнать немного больше об их электронной «начинке». Эта информация будет полезна не столько мастерам по ремонту сварочных аппаратов, сколько самим сварщикам. Для лучшего понимая сути используемого вами оборудования.

Итак, на данный момент чаще всего в сварочных инверторах применяются транзисторы двух типов: IGBT и MOSFET. Именно благодаря им удается добиться достойного качества работ, внедрения новых функций и уменьшению габаритов аппарата.

Подробнее про IGBT

Мы решили заострить ваше внимание на IGBT транзисторах, поскольку они считаются самыми технологичными. IGBT представляет собой стандартный биполярный транзистор с изолированным затвором. Усиливает и генерирует электрические колебания. Часто применяется в инверторе. От полевого транзистора отличается тем, что генерирует силовой канал, а не управляет им. Представляет собой 2 транзистора на подложке.

Именно благодаря IGBT транзисторам удалось развить производство современных сварочных инверторов. Поскольку именно данный тип транзисторов способен работать при высоком напряжении. Очень скоро производителям стало ясно, что применение IGBT транзисторов способно вывести производство инверторов на новый уровень. Удалось значительно уменьшить размеры аппаратов и увеличить их производительность. Порой стандартный IGBT транзистор способен заменить даже тиристор.

Иногда в IGBT инверторы внедряют специальные микросхемы, которые усиливают управляющий электрический сигнал и ускоряют зарядку затворов. Это необходимо для исправного функционирования мощных переключателей.

IGBT или MOSFET?

Выше мы уже упомянули, что помимо транзисторов типа IGBT существуют еще и транзисторы MOSFET. И многие сварщики любят спорить на форумах, какие транзисторы лучше, а какие хуже. Что мы думаем по этому поводу? Сейчас узнаете.

IGBT — это биполярные транзисторы. А MOSFET — полевые. И отличий у них больше, чем многим кажется на первый взгляд. Основное отличие — максимальная мощность, которую способен выдержать транзистор. У IGBT этот показатель выше, поэтому стоят они дороже, чем MOSFET. А это значит, что управляющая схема тоже стоит дороже.

На практике, сварщик практически не заметит разницы при работе с инверторам на IGBT или MOSFET. В характеристиках разница есть, но на практике она ощущается слабо. К тому же, на IGBt инверторы сложнее найти запчасти и вообще грамотного мастера по ремонту. И расходники стоят дороже.

Если вы используете недорогой инвертор для домашней сварки, то разницу между IGBT и MOSFET вы точно не заметите. Все преимущества IGBT раскрываются только в профессиональном оборудовании, предназначенном для высоковольтного подключения. В таком случае больший диапазон мощностей действительно играет важную роль и стоит предпочесть IGBT инвертор. В остальных же случаях не важно, какие транзисторы установлены. Вы, как любитель, разницу не почувствуете.

Словом, если вы новичок, то приобретайте инвертор на любых транзисторах. Инвертор на MOSFET будет стоить дешевле, вы сможете проще и быстрее его отремонтировать. А если вы выбираете инвертор для профессиональной сварки, то лучше выбрать аппарат на IGBT транзисторах. Они позволят использовать больше мощности. Но и их обслуживание обойдется дороже.

Биполярный прибор

IGBT – это биполярный транзистор с изолированным затвором, применяемый в инверторе. Фактически он состоит из двух транзисторов на одной подложке. Биполярный прибор образует силовой канал, а полевой является каналом управления.

Соединение полупроводников двух видов позволяет совместить в одном устройстве преимущества полевых и биполярных приборов. Комбинированный прибор может, как биполярный, работать с высокими потенциалами, проводимость канала обратно пропорциональна току, а не его квадрату, как в полевом транзисторе.

При этом IGBT транзистор имеет экономичное управление полевого прибора. Силовые электроды называются, как в биполярном, а управляющий получил название затвора, как в МОП приборе.

IGBT транзисторы для сварочных инверторов и силовых приводов, где приходится работать при высоких напряжениях, стали использовать, как только отладили технологию их производства. Они сократили габариты, увеличили производительность и мощность инверторов. Иногда они заменяют даже тиристоры.

В IGBT инверторе для обеспечения работы мощных переключателей применяются драйверы – микросхемы, усиливающие управляющий сигнал и ускоряющие быструю зарядку затвора.

Некоторые модели IGBT транзисторов работают с напряжением от 100 В до 10 кВ и токами от 20 до 1200 А. Поэтому их больше применяют в силовых электроприводах, сварочных аппаратах.

Полевые транзисторы больше применяют в импульсных источниках и однофазных сварочных инверторах. При токовых параметрах 400-500 В и 30-40 А они имеют лучшие рабочие характеристики. Но так как IGBT приборы могут применяться в более тяжелых условиях, их все чаще применяют в сварочных инверторах.

Что лучше igbt или mosfet в сварочном инверторе

Не нужно на 100% разбираться в премудростях электротехники, чтобы высказать мнение по теме. Заголовок «MOSFET или IGBT?» напоминает старое соревнование форматов: VHS или DVD? Кто же победит? И пусть скажут, сравнение не корректное. Но, DVD формат великолепный, качество звука и изображения замечательные, а мы все так привыкли к старому доброму VHS…

Попробуем привести пару доводов и, как говорится, ближе к «телу»…

MOSFET или IGBT?

Для изготовления стандартного инвертора понадобится 2-4 IGBT транзистора (в зависимости от рабочего цикла), a MOSFET — 10-12, т. к. они не могут пропускать через себя большие токи, поэтому их приходится делить на такое большое количество транзисторов. Вот собственно в чем и отличие.

Силовой инверторный блок

Переменное напряжение 220 В – это некоторое усредненное значение, которое показывает, что оно имеет такую же энергию, как и постоянный ток в 220 В. Фактически амплитуда равна 310 В. Из-за этого в фильтрах используются емкости на 400 В.

Мостовая выпрямительная сборка монтируется на радиатор. Требуется охлаждение диодов, поскольку через них протекают большие токи. Для защиты диодов от перегрева на радиаторе имеется предохранитель, при достижении критической температуры он отключает мост от сети.

В качестве фильтра используются электролитические конденсаторы, емкостью от 470 мкФ и рабочим напряжением 400 В. После фильтра напряжение поступает на инвертор.

Во время переключения ключей происходят броски импульсного тока вызывающие высокочастотные помехи. Чтобы они не проникали в сеть и не портили ее качество, сеть защищают фильтром электромагнитной совместимости. Он представляет собой набор конденсаторов и дросселя.

Сам инвертор собирается по мостовой схеме. В качестве ключевых элементов применяются IGBT транзисторы на напряжения от 600 В и токи соответствующие данному инвертору.

Они тоже с помощью специальной термопасты монтируются на радиаторы. При переключениях этих транзисторов возникают броски напряжения. Чтобы их погасить применяются RC фильтры.

Полученный на выходе электронных ключей переменный ток поступает на первичную обмотку высокочастотного понижающего трансформатора. На выходе вторичной обмотки получается переменный ток напряжением 50-60 В.

Под нагрузкой, когда идет сварка, он может выдавать ток до нескольких сотен ампер. Вторичная обмотка обычно выполняется ленточным проводом для уменьшения габаритов.

На выходе трансформатора стоит еще один мощный диодный мост. С него уже снимается необходимый сварочный ток. Здесь используются быстродействующие силовые диоды, другие использовать нельзя, потому что они сильно греются и выходят из строя. Для защиты от импульсных бросков напряжения используются дополнительные RC цепи.

Что лучше MOSFET или IGBT?

Многие на транзисторах. Так, например, в настоящий момент выпустила на рынок аппараты (по технологии MOSFET) с наклейками на боковых панелях «Используются транзисторы TOSHIBA» а также «Используются транзисторы Mitsubishi». Пытаются выползти на громких и знакомых брендах. На практике это не подтвердилось. Так на крупнейшей Международной инструментальной выставке России Moscow International Expo (MITEX-2011), которая проходила в ноябре 2011г. в «Экспоцентре» (г. Москва), я попросил представителей стенда данной компании разобрать их САИ с наклейкой «Используются транзисторы Mitsubishi» и продемонстрировать данные транзисторы. В итоге сварочные инверторы разобрали, но данных транзисторов не обнаружили. Сами сотрудники были в шоке, обнаружив безымянные транзисторы.

По вопросам ремонта и другим техническим вопросам сюда. Ремонт бытовой и офисной техники.

Силовые MOSFET и AGBT транзисторы в сварочных инверторах. Кубань Краснодар.

Первая часть статьи. Лабиринты цепей сварочных инверторов.

Прибор для проверки и подбора полевых с N каналом и IGBT транзисторов.

С самого начала этой темы скажу, что без визуального представления работы транзисторов, никакие книги не дадут понимания. Нужно своими глазами, по измерительному прибору, увидеть работу и поведение разных типов транзисторов. Только тогда можно правильно сориентироваться в этой массе полупроводниковых приборов, имеющихся на рынке. После этого вы будете смотреть на мир другими глазами. Прибор лучше стрелочный. Он более наглядно дает представление о различии транзисторов, по углу отклонения стрелки, особенно разных типов. Схема одного из таких приборов для проверки и подбора силовых MOSFET и AGBT транзисторов приведена по ссылке в верху.

А теперь о самих транзисторах. Начну с шока для могих. Транзисторы MOSFET можно заменять на AGBT и на оборот. Имеется в виду все, на все. В некоторых случаях даже с явным улучшением параметров. При замене надо подкорректировать снабберные цепочки.

В схему смело можно ставить любые силовые транзисторы, расчитанные для применения в сварочных инверторах, часто с коррекцией снабберных цепей.

Чтобы видеть, как корректировать снабберные элементы, необходим предложенный прибор. По шкале прибора смотрим разность угла отклонения стрелки, в процентном соотношении, и на столько корректируем снабберы. Например. В AGBT транзисторах FGH60N60, стрелка, при измерении емкости транзистора, отклонилась на 60 делений, а в AGBT транзисторах FGH40N60 на 40 делений. Значит, при установке последних, нужно уменьшить конденсаторы на 30%. А при максимальном рбочем токе 20-30 А., если транзисторы стоят парами, ток что 80А, что 120А на результат не повлияет. Зато FGH40N60 гораздо быстрее, у них заметно меньшие потери на коммутационные процессы. Здесь главное теплоотвод. Вместо термо резины лучше поставить тонкие слюдяные прокладки на термопасту с обеих сторон. Часто бывают плохие резьбы в прижимных болтах. Обязательно, при обкручивании болта, засверлить и перерезать резьбу большего диаметра и хорошо прижать транзисторы к радиатору. Выдуть всю пыль и очистить радиаторы и вентилятор до блеска.

Отдельным параграфом нужно выделить подбор идентичных транзисторов по параметрам. Пять минут непосильного труда, добавляет не меньше 20% мощности инвертора. А с таким качеством транзисторов как в Харьковском Космодроме, то и все 40%. Часто бывает, что из 10 транзисторов можно подобрать только пару, а нужно минимум четыре. Сильно плавают емкости и напряжения открытия. Как раз самые важные параметры.

Теперь о целесообразности замены MOSFET транзисторов на AGBT и на оборот.

AGBT транзисторы более высоковольтные, при напряжении насыщения около 2 Вольт. Это единственное их преимущество перед полевыми.

Недостатки.

AGBT транзисторы имеют напряжение насыщения эмиттер — коллекторного перехода, минимум 2 Вольта. Это значит.

1. Они не могут коммутировать напряжения меньше 2 Вольт.

2. Очень не эффективны при коммутации малых напряжений. Например, при коммутации напряжения уровнем 4 Вольта, КПД = 50%

3. При параллельном соединении, потери увеличиваются в два раза. Например. При коммутационном токе 40А рассеиваемая мощность от паразитного напряжения насыщения будет = 80Ватт на каждый транзистор. Поэтому, IGBT транзисторы логино применять при больших токах. Чем больше коммутирующий ток, тем выгоднее эти транзисторы.

При коммутационном токе 20А рассеиваемая мощность от паразитного напряжения насыщения, будет = 40Ватт на каждый транзистор.

MOSFET транзисторы. Это полевые транзисторы с изолированным затвором. Чем они выделяются.

1. Приемлемо малым сопротивлением открытого перехода (около 0,2 Ом), правда, это при допустимых напряжениях СИ до 500В. Свыше 500В параметры стремительно ухудшаются. Этот участок напряжений для AGBT приборов.

2. Могут коммутировать очень малые напряжения. Чем меньше напряжение коммутации, тем меньше потери транзистора.

3. У большинства полевиков заметно лучше скоростные характеристики и меньшие коммутационные потери.

4. При параллельном соединении общее сопротивление открытого перехода уменьшается в два раза. Как и при параллельном соединении резисторов. Например. При коммутационном токе 40А падение напряжения на сопротивлении 0,2 Ом, будет равно 8В. 8В*40=320Ватт. Но, при параллельном соединении двух транзисторов, на них будет выделяться уже только 160Ватт.

При коммутационном токе 20А падение напряжения на сопротивлении 0,2 Ом, будет равно 4В. 4В*20=80Ватт. Но, при параллельном соединении двух транзисторов, на них будет выделяться уже только 40Ватт. А при AGBT варианте, при параллельном их соединении, будет 80Ватт.

Вот так, при достаточно серьезных рабочих токах (это, при напряжении 150В и токе 20А, мощность будет 3КВт) на ровном месте, MOSFET транзисторы в разы опережают AGBT.

Вывод. В случаях, когда инверторные сварки не используются для резки металла, особенно для электродов диаметром 3мм, AGBT транзисторы можно менять на MOSFETы. Также, такую замену, можно делать, если параллельно соединены три и более транзистора. И на оборот. Если большие токи и тяжелые сварочные режимы, напряженние питания скачет выше 220В, ставим IGBT.

Ну и последний нюанс. После таких замен и коррекций соответствующих цепей, при первом запуске, нужно подавать питающее напряжение с нуля. Плавно, с медленным нарастанием и постоянным контролем осциллографом амплитуды и формы напряжений на затворах и коллекторах (стоках).

При появлении малейших искажений сигнала, нужно все выключать проверять и пересчитывать, иначе будет бах. Часто бывает, что кроме силовых элементов вылетают и задающие. При этом, стают не понятны причины искажений формы сигналов, что влечет эти изменения — замена силовых транзисторов, или выход из строя задающих элементов.

Удачи в ремонте.

С ув. Белецкий А. И. 06.01.2014г. Кубань Краснодар.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

MOSFET и IGBT: похожи, но очень разные

Структуры MOSFET и IGBT (рис. 1 и 2) на первый взгляд очень похожи, основное отличие состоит в дополнительном p‑слое, расположенном под n‑подложкой. Технология IGBT безусловно предназначена для применения в приборах с напряжением пробоя свыше 1000 В, в то время как MOSFET в основном ориентированы на устройства с рабочим напряжением ниже 250 В. Какой из компонентов предпочтителен внутри данного диапазона (250–1000 В), зависит от конкретных режимов работы — это могут быть как IGBT, так и MOSFET. При выборе между двумя полупроводниковыми технологиями следует учитывать особенности применения, а также габариты, стоимость, быстродействие и тепловые характеристики.

Рис. 2. Поперечное сечение типичной структуры MOSFET

На рис. 3 показаны границы областей, в пределах которых применение MOSFET или IGBT предпочтительно, некоторые особенности более подробно описаны далее. В большинстве случаев данные рекомендации можно использовать как хорошую отправную точку для предварительного выбора компонента.

Рис. 3. Области предпочтительных применений MOSFET и IGBT без учета выходной мощности

Использование IGBT предпочтительно в следующих случаях:

низкий коэффициент заполнения;
низкая частота переключения (<100 кГц);
небольшой диапазон изменения тока нагрузки;
высокое рабочее напряжение (>600 В);
работа при высокой температуре кристалла (>+100 °C);
большая выходная мощность (>5 кВт).

Типичные области применения IGBT:

управление электродвигателями: рабочая частота <20 кГц, защита от короткого замыкания, ограничение тока перегрузки;
источники бесперебойного питания (UPS): постоянная нагрузка, рабочая частота <100 кГц;
сварка: высокий средний ток, рабочая частота <50 кГц (допустимо в режиме «мягкой» коммутации ZVS);
системы освещения: рабочая частота <100 кГц (допустимо в режиме «мягкой» коммутации ZVS).

Использование MOSFET предпочтительно в следующих случаях:

высокая частота переключения (>200 кГц);
широкий диапазон изменения тока нагрузки;
широкий диапазон изменения коэффициента заполнения;
рабочее напряжение <1000 В;
низкая выходная мощность (<500 Вт).

Типичные области применения MOSFET:

импульсные источники питания (SMPS): высокая частота переключения (>200 кГц);
импульсные источники питания (SMPS): режим «мягкой» коммутации ZVS при мощности менее 1000 Вт;
зарядные устройства.

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Эволюция технологий: биполярные транзисторы, MOSFET и IGBT

Биполярный транзистор (БТ) был единственным «реальным» силовым ключом до тех пор, пока в 1970‑х годах не появилась технология MOSFET. Для включения биполярного транзистора требуется высокий базовый ток, БТ имеет относительно медленные характеристики выключения (этот эффект известен как токовый «хвост», ему свойственен тепловой пробой вследствие отрицательного температурного коэффициента). Минимально достижимое падение напряжения в открытом состоянии или потери на проводимость определяются напряжением насыщения «коллектор–эмиттер» VCE(SAT).
В отличие от БТ, полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, а не током. Ключи MOSFET имеют положительный температурный коэффициент, что позволяет предотвратить тепловой пробой. Их сопротивление в открытом состоянии может составлять менее 0,1 мОм, поэтому статические потери могут быть гораздо ниже. Кроме того, MOSFET содержит встроенный обратный диод.

Все описанные преимущества, а также отсутствие токового «хвоста» сделали MOSFET оптимальным выбором для силовых преобразователей, работающих в импульсном режиме. Затем, в 1980‑х, появились IGBT — биполярные ключи с изолированным затвором, представляющие собой гибрид биполярного транзистора и MOSFET (рис. 1). Выходная характеристика и параметры проводимости IGBT примерно такие же, как у биполярного транзистора, но в отличие от БТ он управляется напряжением, как MOSFET. Другими словами, это означает, что IGBT сочетает высокие нагрузочные характеристики биполярной структуры с простотой управления MOSFET. Однако IGBT имеет и свои недостатки, к которым можно отнести сравнительно большой токовый «хвост» и отсутствие встроенного обратного диода.

Рис. 1. Поперечное сечение структуры NPT-IGBT

Проблемой ранних версий IGBT была склонность к защелкиванию, но у новых поколений транзисторов такой эффект практически устранен. Другим потенциальным недостатком некоторых типов ключей является отрицательный температурный коэффициент, приводящий к тепловому пробою и усложняющий параллельное соединение. Данный дефект отсутствует у последних поколений IGBT, созданных на основе технологии NPT (Non-Punch Through). Ключи NPT имеют такую же базовую IGBT-структуру (рис. 1), но при их производстве используется кремний с объемной диффузией, а не эпитаксиальный материал, как у ранних IGBT и MOSFET первых поколений.

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Источник