Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
10 wrzesień 2004.

Postęp w elektronicznych zasilaczach do spawarek

Postęp w elektronicznych zasilaczach do spawarek

Zastosowanie zasilaczy impulsowych wielkiej częstotliwości w urządzeniach spawalniczych zaowocowało wieloma udoskonaleniami, znanymi z ich nieprzemysłowych zastosowań. Przechodząc od urządzeń o częstotliwości sieci energetycznej do przetworników impulsowych wielkiej częstotliwości można było zwiększyć sprawność urządzeń oraz zmniejszyć ich objętość i wagę. W rezultacie zasilacze impulsowe znalazły zastosowanie w różnego rodzaju spawarkach, z elektrodą metalową i wolframową w gazie szlachetnym, łukowych i rezystancyjnych, a także w urządzeniach do cięcia plazmowego.

Oczywiście zwiększenie sprawności i zmniejszenie wymiarów zasilaczy, co wiąże się ze skomplikowaniem układu w porównaniu z urządzeniami o częstotliwości sieciowej, kosztuje. Zaprojektowanie zasilacza spawarki jest bardziej złożone ze względu na nieliniowość obciążenia, jakim jest łuk spawalniczy. Obwód sterujący zasilacza spawarki musi zatem być bardziej wyrafinowany niż w zwykłych zasilaczach impulsowych. Zasilacze spawarek wyróżniają się oprócz tego dużym prądem obciążenia i dużą mocą. Natężenie prądu spawania liczy się w setkach amperów. Przy napięciu łuku około 30V oznacza to moc rzędu wielu kilowatów. Wymagania te przekładają się na duże wartości znamionowe podzespołów zasilaczy impulsowych oraz ich obudów, które muszą spełniać zwiększone wymagania termiczne.

Zasilacz impulsowy do spawarki składa się zwykle z wejściowego stopnia prostowniczego, falownika, transformatora wielkiej częstotliwości i wyjściowego stopnia prostowniczego (rys. 1). Falownik jest zwykle konstruowany z IGBT, choć można w nim także stosować MOSFET-y lub diody sterowane. Jego działanie jest wspomagane różnymi funkcjami sterowniczymi, jak modulacja szerokości impulsów (PWM), sterowanie bramkami czy płynny rozruch.

Konfiguracja wejściowego obwodu diodowego zależy od tego, czy układ jest zasilany jedno- czy trójfazowym prądem zmiennym. Jeżeli jest wymagana korekcja współczynnika mocy, pomiędzy tranzystorami przełączającymi a diodami prostowniczymi może zostać włączony dodatkowy układ falownika (rys. 2). Sam falownik (układ przełączania) może być realizowany w postaci pełnomostkowego obwodu czterech par tranzystor-dioda albo układu półmostkowego dwóch tranzystorów i dwóch diod (rys. 3). Ten ostatni upraszcza sterowanie, jednak kosztem sprawności.

Konfiguracja stopnia wyjściowego zależy od wymagań konkretnej techniki spawalniczej. Spawarki z elektrodą w osłonie gazowej wymagają zasilania prądem o stałym natężeniu. Inne wymagają zasilania napięciem stałym, a niektóre stałym napięciem i stałym prądem albo prądem impulsowym. W zależności od tego, obwód znajdujący się za diodami prostowniczymi może składać się z różnych podzespołów. Gdy na przykład spawarka wymaga stałego natężenia prądu do spawania stali lub miedzi, może to być dławik. Ale gdy do spawania aluminium jest wymagany impulsowy prąd stały, zamiast dławika może zostać użyty drugi falownik (rys. 2).

Elementy półprzewodnikowe, wybrane czy opracowane do poszczególnych sekcji zasilacza, muszą być optymalizowane ze względu na różne parametry. Prostowniki wejściowe muszą być odporne na przepięcia sieciowe i muszą mieć małe napięcia przewodzenia dla zminimalizowania strat na przewodzenie.

Przeznaczone do pracy przy częstotliwości do 100kHz (ograniczenie narzucone głównie przez transformator) tranzystory wysokonapięciowe stosowane w stopniach mocy muszą charakteryzować się małymi stratami przełączania. Muszą one być parami łączone z diodami usprawniającymi o możliwie najlepszych własnościach wstecznego odzyskiwania ładunku (QRR). Innymi słowy, czas odzysku wstecznego (tRR) musi być możliwie najmniejszy. Znaczenie tego parametru zależy oczywiście od zastosowanej częstotliwości przełączania. Zatem warunki pracy tych tranzystorów wyznaczają stopień i „łagodność”, wymagane przez diody usprawniające. Prostowniki stosowane w stopniu końcowym, w którym dominują straty przewodzenia, muszą się charakteryzować małą rezystancją przewodzenia, a także małym tRR, choć nie musi on być tak mały jak diody usprawniającej.

Maksymalne dopuszczalne prądy i napięcia elementów półprzewodnikowych stopnia przełączania i prostowania bezpośrednio zależą od prądowych wymagań spawarek, zarówno zasilanych jednofazowo, jak i trójfazowo. W tabeli porównawczej spawarek amerykańskich i europejskich, zasilanych z sieci jedno- i trójfazowej, przedstawiono ich podstawowe parametry (tabela 1 i 2). Można zauważyć, że prąd wyjściowy 200A w przybliżeniu dzieli je na jednofazowe i trójfazowe. Według zestawienia przygotowanego w firmie International Rectifier amerykańskie i europejskie spawarki jednofazowe nie różnią się wiele, ponieważ w USA jednofazowe spawarki są zwykle przyłączane do dwóch faz linii trójfazowej albo stosuje się w nich podwajacz w obwodzie wejściowym. W przypadku urządzeń trójfazowych jest jednak nieco inaczej, gdyż w Europie napięcie w sieci trójfazowej wynosi od 380 do 400V. Z tego powodu wymagania prądowe tranzystorów przełączających do spawarek w USA są znacznie wyższe niż w Europie.

Bardzo duże znaczenie mają obudowy tranzystorów, z uwagi na duże natężenia prądu i częstotliwości przełączania. Od nich zależą bowiem parametry termiczne i elektryczne układów i one determinują możliwość odprowadzania mocy ze struktury półprzewodnikowej określonych rozmiarów.

Oprócz parametrów termicznych i elektrycznych na rozmiary zasilacza wpływają jego niezawodność, trudność produkcji i koszt obudowy elementów półprzewodnikowych. Przy wyborze podzespołów do stopnia mocy można wybrać elementy dyskretne albo wielochipowe moduły. Są one ostatnio promowane przez producentów półprzewodników, na przykład International Rectifier. Rozwiązania modularne są opracowywane przez przedsiębiorstwa nie tylko z myślą o polepszeniu parametrów zasilaczy i ułatwieniu produkcji, ale także o tworzeniu bloków konstrukcyjnych na drodze do większej integracji funkcjonalnej.

Na rynku spawarek w USA zarysowuje się trend do przechodzenia od dyskretnych układów przełączających do wielochipowych modułów IGBT, pomimo ich wyższej ceny. Przy cenach do 30 do 150 dolarów, w zależności od rodzaju i konfiguracji, moduły mocy są znacznie droższe od zastępowanych przez nie układów dyskretnych. Ale cena ta jest usprawiedliwiona zmniejszeniem kosztów produkcji urządzeń spawalniczych.

Moduły eliminują pracochłonny montaż płytek drukowanych wraz z dodatkowymi radiatorami, obwodami sterowania i zabezpieczania, niezbędnymi w urządzeniach montowanych z elementów dyskretnych. W razie zapotrzebowania na duży prąd można łączyć równolegle elementy dyskretne, ale lepsze wyniki osiąga się stosując moduły. Pozwalają one eliminować konieczność stosowania równolegle łączonych elementów przełączających, a zatem radiatory są mniejsze. Konstrukcje modularne uważa się za bardziej niezawodne, zwłaszcza przy niższych napięciach zasilania.

W firmie International Rectifier zostały przygotowane struktury wysokonapięciowych MOSFET-ów, IGTB, i diod usprawniających, wchodzących w skład modułów przełączania w pełnomostkowych, dwupołówkowych i półmostkowych konfiguracjach pakietów MTPA. Lista tych struktur obejmuje:

* MOSFET-y 500V o RDS(ON) nie większej niż 95mΩ, wraz z diodą strukturalną lub bez niej,

* IGTB WARP 600V o prądzie 6 lub 10AŚRED,

* IGTB WARP 900V o prądzie 8AŚRED,

* nieprzebijalne IGTB 1200V o prądzie 10 do 20AŚRED.

Te MOSFET-y i IGTB mogą być używane wraz z jedną lub dwoma opracowywanymi diodami usprawniającymi. Są to superszybkie, platynowe, 600-woltowe diody epitaksjalne o szybkiej regeneracji (FRED) i 1200-woltowe HEXFRED. W pełnomostkowych i dwupołówkowych modułach przetwornikowych MOSFET-y te pozwalają przełączać z szybkością do 100kHz. W modułach półmostkowych przełączanie jest możliwe z szybkością do 80kHz, moduły takie pozwalają ponadto na równoległe łączenie do dwóch struktur na każdy tranzystor. W firmie przygotowuje się oprócz tego nieprzebijalny IGTB 1200V, 50A do stosowania w formie pojedynczej struktury w konfiguracji półmostkowej.

Przy projektowaniu tych modułów w International Rectifier uwaga jest skierowana na optymalizację rozmieszczenia w celu eliminacji oddziaływania pasożytniczych parametrów bezpośrednich złączy miedzianych, złączy drutowych i wyprowadzeń. Innym aspektem projektowania modułów jest ich symulacja i optymalizacja w urządzeniu, przed konstruowaniem prototypów i ich charakteryzacji. Moduły te w zasadzie są tworzone na zamówienie, ale ostatecznie będą mogły być sprzedawane jako standardowe pozycje katalogowe.

Przez połączenie modułów stopnia przełączania z istniejącymi prostownikami wejściowymi tworzy się bardziej modularne konstrukcje wielkiej częstotliwości. Firma zamierza jeszcze bardziej zwiększyć stopień integracji modułów, na przykład przez wprowadzenie do modułu przełączania niektórych funkcji sterujących. W zależności od miejsca, z modułem tym można by jeszcze zintegrować prostownik wejściowy.

Inną firmą, w której opracowuje się spawalnicze moduły wielochipowe na zamówienie, jest Semicron. W firmie tej w jednej obudowie umieszcza się IGBT wraz z obwodami zabezpieczającymi termicznie, prądowo i napięciowo. W pakiecie SKIM umieszcza się układy o dopuszczalnym napięciu 600, 1200 i 1700V.

Są to obudowy SKIM3, SKIM4 i SKIM5. Pakiet SKIM może zawierać różne materiały ceramiczne, służące za podkład izolacyjny modułu – albo tlenek, albo azotek aluminium. Ten ostatni charakteryzuje się doskonałymi własnościami termicznymi.

Inne przedsiębiorstwa koncentrują się na opracowywaniu elementów dyskretnych. IXYS produkuje MOSFET-y stosowane w przetwornikach impulsowych, z których niektóre używa się w spawarkach. W IXYS usiłuje się zmniejszyć ładunek bramki MOSFET-ów o 40%. Ułatwi to działanie układów sterujących bramkami.

U innego producenta, Intersil, opracowuje się zawansowane IGBT, diody usprawniające i prostowniki. IGTB tej firmy, HGT1N30N60A4D i HGT1N40N60A4D w wysokoprądowych obudowach ISOTOP, charakteryzują się częstotliwością przełączania 100kHz, temperaturą złącza 125°C i prądem 30 i 40A. Takie IGTB pozwalają zredukować moc traconą przez przewodzenie, zwłaszcza w porównaniu do konstrukcji opartych na MOSFET-ach. W firmie przeprowadzono pomiary porównawcze dwóch równoważnych zasilaczy impulsowych z MOSFET-ami rozmiaru struktury 6 i z 600-woltowymi IGBT rozmiaru 3. Tranzystory pracowały w trybie stałego przełączania przetwornika ze współczynnikiem wypełnienia 50%. Nie licząc dużo większych rozmiarów struktury MOSFET-ów, IGBT rozpraszały o 25% mniej mocy przy niewiele tylko większej różnicy temperatury złącze-obudowa. Gęstości mocy wyniosły 10 do 20A/cm2 w przypadku MOSFET-ów i 100A/cm2 w przypadku IGBT.

Większa sprawność IGBT upraszcza termiczne projektowanie układów. Obwody z tymi tranzystorami wymagają jednak rozważenia problemów termicznych we wczesnym etapie projektowania. Niektórzy projektanci próbują je rozwiązywać przez użycie większych IGBT, o większej przewodności termicznej. Podejście to nie prowadzi jednak do zmniejszenia rozpraszania ciepła. Stosowanie lepszych termicznie obwodów, umożliwiających użycie mniejszych tranzystorów, jest jednak rozwiązaniem bardziej opłacalnym.

Diody o lepszej regeneracji również wpływają na poprawę sprawności przetworników mocy. Intersil opracowuje 600-woltowe diody o czasie regeneracji nie dłuższym niż 25ns, nazwane diodami Stealth. Są one umieszczane we wspólnych obudowach z IGBT w zasilaczach wielkiej częstotliwości do urządzeń spawalniczych (rys. 2). Określa się znamionową energię lawinowania tych diod, a ich przełączanie przy prądzie znamionowym jest łagodne, mają duże di/dt oraz temperaturę złącza 125°C. Diody Stealth redukują zakłócenia elektromagnetyczne, co w niektórych przypadkach pozwala eliminować obwody zabezpieczające, ale umożliwiają szybsze włączanie związanych z nimi IGBT. Dzięki temu straty włączania tranzystora są mniejsze. Firma Intersil opracowuje także prostowniki wyjściowe w firmowych obudowach ISOTOP, o znamionowym napięciu 200 do 300V i prądzie 150A.

Udoskonalenia parametrów i obudów podzespołów polepszają wiele aspektów projektowania zasilaczy wielkiej częstotliwości urządzeń spawalniczych, a uzyskane korzyści nie ograniczają się do tych aplikacji. Podobne rozwiązania stosuje się także w różnych zasilaczach impulsowych, jak w systemach UPS i zasilaczach w telekomunikacji. Pojawienie się mniejszych i sprawniejszych elementów półprzewodnikowych i modułów o większej integracji funkcjonalnej pomoże projektantom zasilaczy impulsowych zaspokajać rosnące zapotrzebowanie na układy mniejsze i łatwiejsze w produkcji. (KKP)


Rys. 1. W celu osiągnięcia lepszej sprawności w impulsowych zasilaczach wielkiej częstotliwości stosuje się prostowniki wejściowe o małym spadku napięcia w kierunku przewodzenia UF, stopnie przełączania oparte na IGBT o małych stratach przełączania i szybkie prostowniki wyjściowe o małym UF


Rys. 2. Przetworniki impulsowe do spawarek mogą jeszcze zawierać drugi przetwornik, służący do generacji impulsów potrzebnych przy spawaniu aluminium, oraz dodatkowy zestaw IGBT z diodą o szybkiej regeneracji do korekcji współczynnika mocy wejściowej


Rys. 3. Konfiguracja stopnia mocy w formie przetwornika pełnomostkowego (a) zapewnia większą sprawność niż przetwornik dwupołówkowy (b), który jest prostszy do sterowania

(Złota myśl dodatkowa)

Dzięki lepszym IGTB i diodom wysokoprądowe zasilacze do spawarek są mniejsze i sprawniejsze

Tabela 1. Wymagane parametry elementów półprzewodnikowych do jednofazowych elektronicznych spawarek łukowych (dane: International Rectifier)

Maksymalny prąd wyjściowy (AŚR)

100

140

160

200

Napięcie łuku (VŚR)

27

27

27

28

Całkowita moc wyjściowa (kW)

2,7

3,8

4,3

5,6

Przełączany prąd w temperaturze pracy (AŚR)

pełnomostkowy

6

9

10

13

dwupołówkowy

13

18

21

27

Prostownik wejściowy

26A, 1200V

36A, 1200V

Tabela 2. Wymagane parametry elementów półprzewodnikowych do trójfazowych elektronicznych spawarek łukowych (dane International Rectifier)

Maksymalny prąd wyjściowy (AŚR)

200

250

300

350

400

500

560

Napięcie łuku (VŚR)

28

30

32

34

36

40

42

Całkowita moc wyjściowa (kW)

5,6

7,5

9,6

11,9

14,4

20

23,7

Spawarki amerykańskie*

Stopień mocy

Przełączany prąd w temperaturze pracy (AŚR)

pełnomostkowy

15

20

25

31

38

53

63

dwupołówkowy

30

40

51

63

76

105

125

Prostownik wejściowy

Prąd i napięcie znamionowe

40A, 1200V

70A,

1200V

100A,

1200V

166A,

1200V

Spawarki europejskie*

Stopień przełączania

Przełączany prąd w temperaturze pracy (AŚR)

pełnomostkowy

8

11

14

17

21

29

34

dwupołówkowy

16

22

28

34

42

58

69

Prostownik wejściowy

Prąd i napięcie znamionowe

40A,

1600V

70A,

1600V

100A,

1600V

* W USA napięcie trójfazowej sieci energetycznej jest bardzo zróżnicowane i waha się od 208V aż do 480V. W Europie wynosi ono 380 do 400V.

Dodatkowe informacje:

International Rectifier: www.irf.com,
Dacpol – tel. (22) 7570713,
Future – tel. (22) 6189202,
Spoerle – tel. (22) 8569090,
WBC – tel. (71) 78 88 011
IXYS: www.ixys.com,
PUH Voltex – tel. (76) 8411289
Intersil: www.intersil.com,
EBV – tel. (71) 3422944,
Spoerle – tel. (22) 8569090

Źródło: DACPOL
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl