Оригинальные силовые биполярные IGBT транзисторы из Китая и немного о ремонте

Полевые полупроводники

Используемые в инверторах полупроводники по MOSFET технологии – это полевые силовые транзисторы с изолированным затвором. Управление полупроводником осуществляется напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых током. Канал ключа имеет высокую проводимость 1 мОм. В закрытом виде у них огромное входное сопротивление.

Изначально полевые полупроводники использовались и до сих пор применяются как ключи. В схемах импульсных источников питания применяются полевики с индуцированным затвором. В таком исполнении при нулевом напряжении на затвор-исток канал закрыт.

Для открытия ключа требуется подать потенциал определенной полярности. Для управления ключом не требуется силовых источников. Данные полупроводники часто используются в источниках питания и инверторах.

Входное сопротивление IGBT и MOSFET

IGBT — это биполярное устройство с контролируемым напряжением с высоким входным импедансом и большой емкостной способностью биполярного транзистора. Их можно легко контролировать по сравнению с текущими управляемыми устройствами в высокоточных приложениях. MOSFET требуют почти никакого входного тока для управления током нагрузки, который делает их более резистивными на клемме затвора, благодаря изолирующему слою между затвором и каналом. Слой выполнен из оксида кремния, который является одним из лучших используемых изоляторов. Он эффективно блокирует приложенное напряжение, за исключением небольшого тока утечки.

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.

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.

Применение в сварке

Простой сварочный инвертор представляет собой импульсный источник питания. В однофазном инверторном источнике питания переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 или 60 Гц выпрямляется с помощью мощных диодов, схема включения мостовая.

Затем инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, но уже высокой частоты (от 30 кГц до 120 кГц). Проходя через понижающий высокочастотный трансформатор (преобразователь), напряжение понижается до нескольких десятков вольт. Потом этот ток преобразуется обратно в постоянный.

Все преобразования необходимы для уменьшения габаритов сварочного аппарата. Традиционная схема сварочного инвертора получалась надежной, но имела очень большие габариты и вес. Кроме этого, характеристики сварочного тока с традиционным источником питания были значительно хуже, чем у инвертора.

Передача электроэнергии на высокой частоте позволяет использовать малогабаритные трансформаторы. Для получения высокой частоты постоянный ток преобразуется с помощью высоковольтных, мощных силовых транзисторов в переменный частотой 50-80 кГц.

Для работы мощных транзисторов напряжение 220 В выпрямляется, проходя через мостовую схему и фильтр из конденсаторов, который уменьшает пульсации. На управляющий электрод полупроводника подается переменный сигнал с генератора прямоугольных импульсов, который открывает/закрывает электронные ключи.

Выходы силовых транзисторов подключаются к первичной обмотке понижающего трансформатора. Благодаря тому, что они работают на большой частоте, их габариты уменьшаются в несколько раз.

Сопротивление повреждениям

МОП-транзисторы более восприимчивы к электростатическому разряду (ESD), так как высокий входной импеданс MOS-технологии в МОП-транзисторе не позволит заряжать рассеиваться более контролируемым образом. Дополнительный силиконовый изолятор уменьшает емкость затвора, что делает его уязвимым для очень высоких пиков напряжения, неизбежно повреждающих внутренние компоненты. МОП-транзисторы очень чувствительны к ОУР. IGBT третьего поколения сочетает в себе характеристики привода напряжения MOSFET с низкой способностью к сопротивлению биполярного транзистора, что делает их чрезвычайно устойчивыми к перегрузкам и скачкам напряжения.

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.

Вопросы изоляции

Требования к изоляции силовых модулей непосредственно связаны с характеристиками промышленных сетей, они основаны на многолетнем опыте и указаны в соответствующих стандартах, которые необходимо изучать при проектировании. Детальная разработка этой проблемы привела к разделению электронных систем на низковольтные (<1000 В) и высоковольтные (>1000 B).

Базовым стандартом, определяющим требования для устройств первой категории, является EN 60664 («Координация изоляции для оборудования низковольтных систем»). Требования, изложенные в этом документе, также отражены в групповых и производственных стандартах, таких как EN 50178 («Электронное оборудование для энергетических установок») и EN 61800-5-1 («Электроприводные системы с регулируемой скоростью. Требования безопасности»). Другие документы, например EN 50124-1 («Оборудование для железной дороги. Координация изоляции. Базовые требования»), задают еще более строгие требования для определенных областей применения. Приведенные в стандартах EN и UL рекомендации заметно отличаются (например, UL 508C — «Оборудование для преобразования энергии»).

С целью координации вопросов изоляции выделено три иерархических уровня требований:

• Функциональная изоляция разделяет потенциалы внутри схемы, во внимание принимаются только функциональные аспекты и не учитываются вопросы безопасности.
• Базовая изоляция разделяет цепи питания и незащищенные заземленные компоненты; определяются важные требования безопасности.
• Усиленная или двойная (двукратная базовая) изоляция разделяет цепи питания и незащищенные, незаземленные компоненты с одной стороны, а также цепи управления/информационные с другой. Это означает, что для пользователей аппаратуры не обеспечивается дополнительная защита, поэтому в зоне контакта могут предъявляться более строгие требования.

Для силовых модулей указанное выше деление выглядит следующим образом:

• Функциональная изоляция между выводами.
• Базовая изоляция между корпусом (базовой платой), заземленным через радиатор, и выводами.
• Усиленная, или двойная изоляция между выводами и встроенными изолированными датчиками (ток, напряжение, температура), выходы которых могут быть соединены пользователем с низковольтной управляющей электроникой без принятия дополнительных защитных мер.

При выборе силового ключа разработчик должен хорошо представлять себе условия эксплуатации и требования соответствующих стандартов. Ниже приведены рекомендации по выбору класса напряжения транзистора в зависимости от параметров сети.
Таблица 2.Испытательное напряжение изоляции для различных видов сетей, уровней напряжения и категорий перенапряжения

Уровни перенапряжения питающих сетей по стандарту EN 60664:

• Уровни напряжения для различных областей применения приведены в таблице 2.
• Стандарты определяют требования для трех основных схем подключения сети.
• Уровни загрязнения при эксплуатации силовых модулей оговорены стандартами EN 60664 или EN 50178. Они определяются для конкретных условий применения и способа охлаждения, например, уровень 2 допускает конденсацию только в нерабочем состоянии, в противном случае выбирается уровень 3.

Максимальная высота над уровнем моря:

• Диэлектрическая прочность воздуха снижается пропорционально высоте (падение атмосферного давления), в результате чего ухудшаются изоляционные свойства модулей.
• Стандарт: до 2000 м.

Заземление питающей сети:

• Способ заземления питающей сети определяется максимальным значением напряжения между потенциалом заземления и потенциалом выводов подключения.
• Стандарт: сеть с заземленной нейтралью.

Максимальное напряжение «проводник–проводник» или максимальное напряжение питания постоянного тока:

• Критично для выбора рабочего напряжения (рис. 5).

Максимальное напряжение шины постоянного тока:

• Должно быть определено, если напряжение DC-шины может превысить выпрямленное напряжение или напряжение питания сети постоянного тока, например при рекуперации энергии или 4Q-режиме работы инвертора.

Требования по изоляции сенсоров и цепей развязки сигналов управления:

• Зависят от требований к цепям, к которым подключены сенсоры.
• Если датчик подключен к питающей сети, функциональной изоляции достаточно.
• При подключении к цепям SELV (Safe Extra Low Voltage — безопасное сверхмалое напряжение) или PELV (Protective Extra Low Voltage — защищенное сверхмалое напряжение) изоляция между выходными терминалами модуля и датчиками должна быть усиленной или двойной.

Максимальное напряжение управления:

• Максимальное напряжение схемы контроля относительно потенциала заземления.
• Стандарт: <50 В.

Требования изоляции должны определяться отдельно для путей токов утечки по воздуху, внутреннему объему модуля и по твердой изоляции. Длина пути тока утечки должна исключать возможность искрового перекрытия и возникновения дуги при всех условиях работы. Определяющим фактором является максимально возможная/пиковая величина рабочего напряжения, особое внимание следует уделять категории перенапряжения схемы и высоте установки оборудования над уровнем моря. Если она превышает 2000 м, зазоры для токов утечки должны быть увеличены с помощью поправочных коэффициентов, приведенных в таблице 3. Для обеспечения усиленной или двойной изоляции следует переходить на следующий класс напряжения.
Таблица 3. Влияние высоты на изоляционные свойства

Данные об уровне загрязнения и свойствах используемых материалов применяются для определения величины поверхностных токов утечки и соответствующих изоляционных зазоров. Стойкость изоляционных материалов к электрическому пробою описывается с помощью параметра CTI (Comparative Tracking Index). Термин «Трекинг» в данном случае означает электрический пробой по поверхности изоляционного материала. Для измерения CTI индекса 52 капли 0,1% раствора хлористого аммония внедряются в исследуемый материал, после чего производится измерение напряжения пробоя слоя материала толщиной 3 мм. Также используется индекс PTI (Proof Tracking Index), определяющий максимальную величину испытательного напряжения, которое без повреждения выдерживает выборка из пяти модулей. При увеличении перепада напряжения образуются проводящие пути утечки по поверхности материала в виде углеродистых дорожек (треков). Методика испытаний изложена в стандарте IEC 60112.

Чем выше резистентность материала к пробою, тем короче могут быть изоляционные зазоры. Решающим фактором в данном случае является не пиковая, а эффективная величина рабочего напряжения. Длина пути тока утечки в любом случае должна быть не менее воздушного изоляционного промежутка, его минимальная величина, как правило, определяется в стандартах эмпирически, на основе данных по пробойной стойкости печатной платы (PCB) при напряжении до 1000 В и уровне загрязнения 1 и 2. Полученные результаты адаптируются для конкретных условий применения, поэтому требуемые величины изоляционных промежутков гораздо меньше, чем показатель CTI для материалов, реально применяемых для производства PCB. Для достижения усиленной или двойной изоляции, соответственно, длина пути тока утечки должна быть увеличена в два раза.

Твердая изоляция используется в тех случаях, когда зазора по воздуху (или газу) оказывается недостаточно. Чтобы убедиться в том, что она обеспечивает необходимые характеристики, проводятся тесты на устойчивость к импульсному напряжению и измерение частичных разрядов. В идеале испытательное напряжение частичных разрядов больше, чем максимальное ожидаемое значение пикового сигнала (поскольку при этом частичный разряд не происходит) и максимальное рабочее напряжение. Если даже пиковая величина превышена, то в случае возникновения частичного разряда он должен быть прерван в безопасном для ключа режиме. Некоторые стандарты требуют проведения теста на частичный разряд только для усиленной или двойной изоляции.

Чтобы обеспечить отсутствие повреждений при сборке модуля или готового изделия, в ряде случаев проводятся испытания электрической прочности изоляции в процессе производства. Задачей таких тестов не является проверка качества проектирования опытных образцов.

Упомянутые выше документы устанавливают различные рекомендации по необходимой величине тестового напряжения (табл. 4).
Таблица 4.Испытательное напряжение для базовой изоляции при напряжении сети 690 В для AC- и DC-тестов в соответствии с различными стандартами

В технических характеристиках силовых модулей указывается величина испытательного напряжения изоляции Visol (insulation test voltage). Проверка проводится в ходе периодических производственных тестов подачей сигнала частотой 50 Гц между соединенными между собой выводами и изолированной базовой платой. Длительность испытаний варьируется от 1 с до 1 мин. Кроме того, дополнительно может проводиться DC-тест при VisolDC = √2 × VisolAC. Проверка изоляции сенсоров, установленных в интеллектуальных модулях, производится аналогично.

Чтобы силовые модули имели широкий спектр применений, производители стараются указывать максимально возможную величину испытательного напряжения, например 2,5 кВ(АС)/1 мин…4 кВ(АС)/1 мин…4,5 кВ(АС)/1 с для IGBT 12 класса, 4 кВ(АС)/1 мин…5,6 кВ/1 с для IGBT 17 класса, 6 кВ/1 мин. для IGBT 33 класса и 10,2 кВ/1 мин. для IGBT 65 класса. Компания SEMIKRON также проводит тесты IGBT и диодных модулей по специальному требованию заказчиков при 9,5 кВ/1 мин.

Проверка изоляции производится при температуре +15…+35 °С, относительной влажности 45–75% и атмосферном давлении 860–1060 гПа. Испытания считаются успешными, если не выявляется электрический пробой, т. е. токи утечки незначительны. Поскольку тесты могут привести к преждевременному старению модуля вследствие частичного разряда, их количество должно быть минимальным, а величина Visol — на минимально необходимом уровне.

Проверка изоляции по нормативам, указанным в спецификации, является задачей производителя, такие тесты не следует включать в программу входного контроля. Если же это по каким-либо соображениям необходимо, то время между двумя замерами должно быть не менее 10 мин.

Мягкий пуск

Для питания блока управления инвертора применяется стабилизатор на микросхеме с радиатором. Напряжение питания поступает с главного выпрямителя через резистивный делитель.

При включении сварочного инвертора конденсаторы начинают заряжаться. Токи достигают таких больших величин, что могут сжечь диоды. Чтобы этого не произошло, используется схема ограничения заряда.

В момент пуска ток проходит через мощный резистор, который ограничивает пусковой ток. После зарядки конденсаторов резистор с помощью реле отключается, шунтируется.

Ток в открытом состоянии

Величина, определяемая в спецификации как максимальный ток коллектора IGBT IC или стока MOSFET ID, при котором достигается предельный нагрев кристаллов Tj(max) при температуре корпуса Tc= +25 и +80 °C (для базовых модулей) или +25 и +70 °C (для безбазовых модулей), рассчитывается следующим образом:

IC = (Tj(max)–Tc)/(VCE(sat) × Rth(j-c));

ID = √(Tj(max)–Tc)/(RDS(on) × Rth(j-c)).

Для силовых ключей без базовой платы вместо параметров Tcи Rth(j-c) используются Ts (температура радиатора) и Rth(j-s) (тепловое сопротивление «кристалл – радиатор»); RDS(on) и VCE(sat) в приведенных выражениях должны соответствовать максимальной температуре кристалла. Отметим, что значения IC и ID могут использоваться только для грубой оценки или сравнения, поскольку реальные величины рабочих токов зависят от конкретных условий эксплуатации и должны определяться с помощью теплового расчета.

Величина IСnom (равная номинальному току кристалла, умноженному на количество параллельных чипов) также необходима для предварительной оценки, поскольку, как и в предыдущем случае, она определяется для DC-режима.

Значение повторяющегося пикового тока коллектора IСRM является предельным для состояния периодической длительной коммутации, оно не зависит от температуры и ограничено допустимой плотностью тока кристалла. В большинстве спецификаций величина IСRM ранее определялась как двойной номинал (2IСnom). Для новейших кристаллов Trench 4 производитель указывает IСRM= 3IСnom, но без определения допустимой длительности импульса. Как показывают соответствующие тесты, повторяющееся отключение такого тока может привести к раннему выходу из насыщения наиболее нагретого кристалла и, следовательно, увеличению потерь мощности. Поэтому SEMIKRON рекомендует выходить за определенные ранее пределы области безопасной работы RBSOA (2IСnom) только в исключительных случаях, например при пониженном напряжении DC-шины или плавном отключении (Soft Turn Off).

Еще одним лимитирующим фактором является максимальный эффективный ток модуля It(RMS), усредненный за период рабочей частоты. Это ограничение применимо к любой токовой характеристике, углу отсечки, условиям охлаждения. Величина It(RMS) определяется нагрузочной способностью внутренних шин и внешних терминалов силового ключа.

Характеристики оппозитных/антипараллельных диодов IGBT, такие как прямой ток IF, ток чипа IFnom и пиковый прямой ток IFRM, определяются так же, как и для транзисторов. Значение допустимой непериодической перегрузки IFSM выпрямительных диодов необходимо для выбора параметров соответствующих средств защиты (предохранителей, автоматов). Эта величина соответствует предельному пиковому току импульса 50 Гц полусинусоидальной формы, который диод способен выдержать без повреждения в аварийном режиме (КЗ) несколько раз в течение срока службы.

Как правило, максимальные нагрузочные характеристики силового преобразователя определяются балансом потерь мощности транзисторов и диодов (статических, динамических, восстановления) и возможностью отвода тепла, генерируемого кристаллами, через корпус модуля и радиатор в охлаждающую среду. При этом:

• Должны быть исключены статические и динамические состояния (кроме случая отключения тока КЗ в рамках ограничений области безопасной работы SCSOA), при которых перегрев кристаллов IGBT, MOSFET, диодов превышает установленные лимиты.
• Перепады температуры, обусловленные изменениями нагрузки или окружающей среды, и вызванные ими термомеханические напряжения не должны приводить к сокращению срока службы и прежде­временному отказу модулей.

Кроме того, существуют ограничения, обусловленные следующими факторами:

• коммутационная способность силовых ключей в номинальном режиме и при перегрузке, вплоть до максимального тока (т. е. в пределах ОБР);
• возможности активных и пассивных средств защиты от перегрузки по току;
• величина коммутационных перенапряжений.

Частота коммутации

На рис. 7 показаны эпюры процесса включения MOSFET- и IGBT-модуля в конкретной рабочей точке. Не касаясь значений VDS/VCE и ID/IC , отметим, что текущая величина рассеиваемой мощности p(t) определяется произведением мгновенных значений тока и напряжения. Интеграл p(t) отражает общую мощность рассеяния ключа за определенный период времени, включающую в себя потери на всех транзисторах и диодах, входящих в состав модуля.

Рис. 7. Процесс «жесткого» включения и выключения на резистивно