Выбор силовых транзисторов

Силовые транзисторы - это сердце сварочного инвертора! От правильного выбора силовых транзисторов зависит надёжность работы всего аппарата.

Технический прогресс не стоит на месте, на рынке появляется множество новых полупроводниковых приборов, и разобраться в этом разнообразии довольно сложно.

Первое, с чего нужно начинать, это приблизительное определение мощности будущего преобразователя.

Если мы хотим получить в дуге 200 ампер при напряжении 24 вольта, то перемножив эти величины мы получим полезную мощность которую наш инвертор обязан отдать и при этом не сгореть. 24 вольта это среднее напряжение горения электрической дуги длинной 6 - 7мм, в действительности длинна дуги всё время меняется, и соответственно меняется напряжение на ней, меняется также и ток. Но для нашего расчёта это не очень важно! Так вот перемножив эти величины получаем 4800 Вт, ориентировочно прикинув КПД преобразователя 85%, можно получить мощность которую должны перекачивать через себя транзисторы, это примерно 5647 Вт.

Зная общую мощность можно подсчитать ток, который должны будут коммутировать эти транзисторы. Если мы делаем аппарат для работы от сети 220 вольт, то просто разделив общую мощность на напряжение сети, можно получить ток, который аппарат будет потреблять от сети. Это приблизительно 25 ампер! С величиной тока вроде разобрались, но это не должен быть максимальный ток выбранных нами транзисторов! Сейчас в справочных данных многих фирм приводится два параметра максимального тока, первый при 20 градусах Цельсия, а второй при 100! Так вот при больших токах протекающих через транзистор, на нём выделяется тепло, но скорость его отвода радиатором не достаточно высока и кристалл может нагреться до критической температуры, а чем сильнее он будет нагреваться, тем меньше будет его максимально допустимый ток, и в конечном итоге это может привести к разрушению силового ключа. Обычно такое разрушение выглядит как маленький взрыв, в отличии от пробоя по напряжению, когда транзистор просто тихо сгорает.

Отсюда делаем вывод, для рабочего тока величиной 25 ампер необходимо выбирать такие транзисторы у которых рабочий ток будет не ниже 25 ампер при 100 градусах Цельсия! Это сразу сужает район наших поисков до нескольких десятков доступных силовых транзисторов.

При выборе ключей не стоит пользоваться максимально допустимыми параметрами, и параметрами для импульсных токов. Лучше пускай будет запас, чем авария в самый неподходящий момент. Поэтому смотрим только на максимальные значения постоянных величин, токов и напряжений! Естественно определившись с током нельзя забывать и о рабочем напряжении, во всех приведенных схемах, на транзисторах напряжение не превышает напряжение питания, или проще говоря не может быть больше 310 вольт, при питании от сети 220 вольт. Исходя из этого выбираем транзисторы с допустимым напряжением не ниже 400 вольт. Многие могут сказать, что мы поставим сразу на 1200, это мол будет надёжнее, но это не совсем так, транзисторы одного вида, но на разные напряжения могут очень сильно отличаться!.

пример: IGBT транзисторы фирмы IR типа IRG4PC50UD - 600В - 55А, а такие же транзисторы на 1200 вольт IRG4PH50UD - 1200В - 45А, и это ещё не все отличия, при равных токах на этих транзисторах различное падение напряжения, на первом 1,65В, а на втором 2,75В! А при токах в 25 ампер это лишние ватты потерь, мало того, это мощность которая выделяется в виде тепла, её необходимо отвести, значит нужно увеличивать радиаторы почти в два раза! А это дополнительный не только вес, но и объём! И всё это необходимо помнить при выборе силовых транзисторов, но и это ещё только первый прикид! Следующий этап, это подбор транзисторов по рабочей частоте, в нашем случае параметры транзисторов должны сохраняться как минимум до частоты 100 кГц!

Для "жёсткого" переключения на частоте ЗОкГц, необходим запас по частоте не менее чем в три раза! Для резонансных преобразователей наоборот, можно пользоваться не слишком быстрыми транзисторами. Дело в том, что процесс переключения на резонансной частоте не требует таких затрат энергии, как при "силовом" переключении, и транзисторы замечательно работают на частотах в 4-5 раз выше, чем предельно допустимые! Фирма IR обычно даёт значения граничных частот и для "силового" и для резонансного режимов. Вот собственно всё, что нужно знать при выборе транзисторов. Сейчас самые доступные и по цене и по наличию в продаже это транзисторы фирмы IR. В основном это IGBT, но есть и хорошие полевые транзисторы с допустимым напряжением 500 вольт. Они хорошо работают в подобных схемах, но не очень удобны в крепеже, нет отверстия. В корпусе, для нормальной работы IGBT транзисторов необходима пауза между закрытием и открытием, чтобы завершились все процессы внутри транзистора. Это не менее 1,2 микросекунды для IGBT, и для MOSFET транзисторов, это время не может быть менее 0,5 микросекунды! Вот все требования к транзисторам, и если все они будут выполнены, то Вы получите надёжный сварочный аппарат! Исходя из всего выше изложенного - лучший выбор это транзисторы фирмы IR типа IRG4PC50UD, IRG4PH50UD, полевые транзисторы IRFPS37N50A, IRFPS40N50, IRFPS43N50K. Эти транзисторы были опробованы и показали свою надёжность и долговечность при работе в мощных сварочных инверторах. Для маломощных преобразователей, мощность которых не превышает 2,5 кВт можно смело использовать IRFP460.

Источник: Назаров В.И. и др. "Сварочный инвентор. Теория и практика". Рыбинск, 2008