Mosfet или igbt в инверторах что лучше

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.

Основные недостатки MOSFET

• соединение трех плат;
• худший теплообмен;
• каскадный выход транзисторов из строя при неисправности одного транзистора;
• меньший КПД (относительно IGBT).

Проще говоря, IGBT более современная технология, чем MOSFET.

Недостатки MOSFET

Что лучше MOSFET или IGBT?

Некоторые компании идут в ногу со временем и при производстве сварочных инверторов используют IGBT транзисторы американской фирмы «Fairchaild», 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 компании пытаются «выиграть баллы» на транзисторах. Так, например, компания «Aiken» 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 компании «Aiken» были в шоке, обнаружив безымянные транзисторы.

Сварочные инверторы: IGBT против MOSFET

Главным узлом современного сварочного аппарата является инвертор. По элементной базе, которая используется в таких устройствах, они делятся на два типа — IGBT и MOSFET. Каждому из них присущи свои преимущества и недостатки, иначе не выпускались бы инверторы обоих типов. В интернете не утихают дискуссии по поводу того, какой из них лучше. Давайте объективно разберемся в этом вопросе.

На входе инверторного сварочного аппарата установлен выпрямитель, который преобразует переменный ток с частотой 50 Гц в постоянный. Далее уже за дело берется так называемый инвертор, который преобразует постоянный ток в перемен-ный, но уже на более высокой частоте. Делается это главным образом для того, чтобы трансформатор, понижающий напряжение и одновременно повышающий максимальный ток в нагрузке, был как можно более легким и компактным. С этой точки зрения чем выше частота, тем лучше. Другая причина — для некоторых видов сварки качество сварного шва получается наилучшим, если сварка ведется переменным током с высокой частотой (обычно от 20 до 50 кГц). Но на практике в сварочных инверторах рабочая частота не превышает 65 кГц. Если использовать более высокую частоту, то выигрыш от уменьшения массы и габаритов трансформатора будет уже незначителен, но при этом появятся дополнительные проблемы с построением устройства.

В сварочных инверторах полупроводниковые приборы работают, как правило, в ключевом режиме. То есть в идеале в закрытом состоянии через прибор не должен протекать ток. А в открытом состоянии ток беспрепятственно протекает через прибор, при этом падение напряжения на клеммах электронного коммутатора должно быть в идеале равно нулю. Тогда на полупроводниковом приборе не рассеивается энергия и он не нагревается.

В реальности полупроводниковый прибор переключается из открытого в закрытое состояние за конечный промежуток времени. При переходном процессе и напряжение на его клеммах, и ток, протекающий через него, отличны от нулевых значений, что приводит к рассеиванию мощности. Чем быстрее прибор переключается из одного состояния в другое, тем меньше он нагревается и тем выше у инвертора КПД.

Потери, связанные с токами утечки в полупроводниковых коммутаторах в закрытом состоянии, при-менительно к сварочным инверторам пренебрежительно малы относительно потерь из-за отличия от нуля напряжения на клеммах в открытом состоянии. Поэтому фактор утечек при сравнении элементной базы в данном случае не рассматривается.
Инвертор в общем случае может быть построен на одном из следующих типов полупроводниковых приборов: тиристоры, биполярные транзисторы, MOSFET, IGBT.

Тиристоры

Первые электронные инверторы строились именно на этой элементной базе. Недостатком таких инверторов были громоздкость и относительно низкая надежность. В настоящее время инверторы на тиристорах считаются устаревшим решением, новые модели сварочных аппаратов с их ис-пользованием не разрабатываются.

Биполярные транзисторы

Ток, протекающий между эмиттером и коллектором в этих приборах, управляется силой тока, протекающего между эмиттером и базой. Отношение тока эмиттер-коллектор к току эмиттер-база обозначается как h21_э.

Для маломощных биполярных транзисторов h21э может достигать 1000. Но у мощных биполярных транзисторов h21э обычно небольшой — от 10 до 30. Из этого вытекает первый недостаток биполярного транзистора. Если мы коммутируем ток порядка 30 А (реальная ситуация для инвертора), то управляющий ток должен быть более 1 А.

То есть для управления мощным транзистором придется использовать усилитель тока, что усложняет конструкцию и снижает ее КПД.

В полностью открытом состоянии биполярный транзистор находится в режиме насыщения, когда напряжение между эмиттером и коллектором составляет стабильную величину U_нас (она составляет порядка 0,3–0,5 В), не зависящую от протекаемого между ними тока I_кэ. При увеличении температуры U_нас немного уменьшается.

Потери мощности на рассеивание тепла в биполярном транзисторе, находящемся в режиме насыщения, равны:

То есть в биполярном транзисторе потери мощности в открытом состоянии пропорциональны протекаемому через него току. Как мы увидим далее, это является преимуществом для сварочных инверторов.

Но все перекрывается вторым недостатком биполярных транзисторов высокой мощности – у них очень большое время выхода из режима насыщения. Поэтому на биполярных транзисторах строят в основном инверторы, работающие на частоте промышленного тока (50 или 60 Гц). Но для сварочных инверторов их быстродействия недостаточно.

MOSFET

В полевых транзисторах носители заряда движутся от истока к стоку. Между этими выводами расположен канал. Его сопротивление управляется электрическим полем, приложенным к затвору. Собственно, именно потому, что управление осуществляется электрическим полем, а не током, этот тип транзисторов и назвали полевым.

Современные полевые транзисторы имеют затвор, отделенный от канала тонким слоем диэлектрика (обычно это диоксид кремния).

Такая структура получила название MOSFET — аббревиатура от Metal-Oxyde-Semiconductor Field Effect Transistor. В русском языке существует аналогичный термин «МОП-транзистор» (МОП расшифровывается как «Металл-Окисел-Полупроводник»), который использовался несколькими поколениями советских инженеров. К сожалению, сейчас он почти полностью вытеснен в технической документации термином MOSFET, даже если речь идет о сварочных аппаратах отечественного производства. Поэтому здесь и далее мы, во избежание путаницы, будем использовать наиболее распространенный вариант написания.

В MOSFET ток через затвор практически не протекает (на самом деле затвор обладает емкостью, и переменный ток через него все же течет, но его сила на несколько порядков ниже, чем у тока базы в биполярном транзисторе). Это является важным преимуществом, поскольку для коммутации токов в десятки ампер не нужно строить мощные управ-ляющие цепи.

Открытое состояние у MOSFET также соответствует режиму насыщения. Но, в отличие от биполярного транзистора, выход из данного режима происходит намного быстрее. Это позволяет строить на основе MOSFET инверторы с рабочей частотой в десятки и даже сотни кГц.

Перечисленные преимущества привели к тому, что значительная часть современных сварочных инверторов производится на основе MOSFET. Тем не менее у MOSFET есть и недостатки, критичные с точки зрения применения в сварочном оборудовании. Причем эти недостатки связаны с самим физическим принципом функционирования данных приборов.

Режим насыщения у MOSFET характеризуется достижением минимально возможного значения сопротивления канала Rнас, которое далее не уменьшается при росте приложенного к затвору напряжения.

Потери мощности на рассеивание тепла в MOSFET, находящемся в режиме насыщения, равны:

где U_нас — напряжение исток-сток в режиме насыщения, I_ис — ток, протекающий через транзистор.

Отсюда следует важный вывод — потери мощности в MOSFET в открытом состоянии пропорциональны квадрату протекающего через него тока. Другая проблема — чем выше температура транзистора, тем выше сопротивление канала в режиме насыщения. Это может привести к ситуации, когда перегрев транзистора вызывает увеличение потерь мощности, что еще сильнее нагревает его и т. д. до полного выхода полупроводникового прибора из строя.

Поэтому в сварочных инверторах на основе MOSFET применяют параллельное соединение транзисторов в каждом плече — до 8 штук. Таким образом уменьшается сопротивление ключа в открытом состоянии, а также снижается нагрев отдельно взятого транзистора. Кроме этого, применяются мощные системы охлаждения.

В будущем перспективной элементной базой для построения сварочных инверторов могут стать MOSFET на основе карбида кремния (SiC). Но пока, несмотря на развитие данного направления, SiC-транзисторы не нашли применения в сварочных аппаратах. Возможные причины — высокая стоимость и более сложные, чем у обычных MOSFET, схемы блоков управления.

IGBT

Достоинства биполярных транзисторов и MOSFET были объединены в более современном типе транзисторов, получившем название IGBT. Эта аббревиатура образована от английских слов Isolated Gate Bipolar Transistor. Переводится этот термин как «Биполярный транзистор с изолированным затвором». Известна соответствующая аббревиатура БТИЗ, но в технической документа-ции она пока не прижилась.

IGBT имеет эмиттер, коллектор и управляющий вывод, именуемый затвором. Как и MOSFET, IGBT управляется электрическим полем. Но в режиме насыщения его свойства соответствуют биполярному транзистору. Также напряжение насыщения слабо зависит от температуры, поэтому IGBT устойчивы к перегреву.

Потери мощности в IGBT в открытом состоянии подчиняются той же формуле (1). Только напряжения насыщение побольше, чем у биполярного транзистора — оно составляет 1–2 В. Тем не менее необходимости соединять транзисторы параллельно для снижения потерь в данном случае уже отпадает.

IGBT по скорости выхода из режима насыщения сопоставим с MOSFET, хотя и несколько уступает им по данному параметру. Это позволяет строить на их основе сварочные инверторы, работающие на частотах порядка десятков кГц.

Сравнение IGBT и MOSFET

В итоге сварочный аппарат на основе MOSFET, как правило, больше по размерам и тяжелее устройства на основе IGBT, имеющего схожие функционал и технические характеристики. Но зато, при прочих равных условиях, сварочный аппарат на MOSFET стоит дешевле, чем на IGBT, хотя разница в цене быстро сокращается.

Сторонники MOSFET указывают, что эта техно-логия более надежна, т. к. отработана на протяжении десятилетий, когда IGBT стали массово применяться только в 2000-х годах. Тем не менее там, где применяют один IGBT, приходится использовать до 8 штук MOSFET, включенных параллельно. Меньше компонентов — выше надежность. Поэтому довод о более высокой надежности MOSFET не соответствует действительности.

Другое заблуждение: якобы IGBT — это только для профессионального применения, а для домашнего мастера вполне достаточно MOSFET. На самом деле все обстоит с точностью до наоборот. Сварочные аппараты на основе IGBT намного про-ще в использовании. Например, из-за перегрева у аппаратов на основе MOSFET чаще срабатывает защита, когда устройство отключается в самый неподходящий момент. Как «вырулить» из данной ситуации, опытный профессиональный сварщик знает, а домашний мастер или даже электрик, применяющий эпизодически сварку в своей работе, — нет. Малые размеры сварочного аппарата более критичны именно для тех, кто пользуется ими дома или в гараже, а не в специально оборудованном заводском цеху.

Тем не менее у аппаратов на основе MOSFET до сих пор есть одно преимущество по сравнению с IGBT — они проще в ремонте, если тот производится за пределами авторизованного сервис-центра. В России развит рынок бывших в употреблении сварочных аппаратов. К тому же в связи с санкциями со стороны западных компаний возможен ввоз в страну сварочных аппаратов по каналам, не предусматривающим авторизованное сервисное обслуживание.

MOSFET применяются в инверторах в основном в виде отдельных компонентов. Это позволяет без проблем подыскать при необходимости замену транзистору. В инверторах IGBT применяются, как правило, в составе модулей. Один такой модуль может включать в себя несколько транзисторов, а также диодов (реже — другие компоненты). Подыскать замену такому модулю гораздо сложнее, чем отдельному транзистору. Кроме этого, не будем сбрасывать со счетов и кадровую про-блему. Как работать с MOSFET, знает любой инженер по радиоэлектронике. А вот специалисты по применению IGBT пока что встречаются гораздо реже. Не факт, что при необходимости починить сварочный аппарат неизвестного происхождения такой специалист быстро найдется.

Отсюда можно сделать следующий вывод. Если вы приобретаете новый сварочный аппарат у вызывающей доверие компании, которая имеет представительство в России (или же является российским производителем), — инвертор должен быть на IGBT, без вариантов! Наиболее яркий пример — продукция ANDELI GROUP, о которой мы написали в этом номере журнала. Но в том случае, если аппарат выпущен давно, есть сомнение в доступности запчастей для него и возможности ремонта в авторизованном центре (при этом такой аппарат должен соответствовать принятым в России нормам безопасности, иначе им пользоваться недопустимо), тогда MOSFET, при всех его недостатках, будет приемлемым вариантом.

Источник: Алексей ДУБНЕВСКИЙ, опубликовано в журнале «Электротехнический рынок №4-5 (112-113) 2023 год

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

MOSFET vs IGBT

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Поделиться

Последние посетители 0 пользователей онлайн

• Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

Сообщения

Вам «шашечки или ехать» ?

Голова какого класса? Не видно.

Я, наверное, совсем отстал от современности. Все понимают какая «малина запитана»,а я нет. Знаю только ту, что едят. ТС написал, что задержка ему нужна на 1 мин. Так зачем больше минуты держать кнопку нажатой ?

Доброго всем времени, нужна помощь с восстановлением прибора Схема: Прибор подгоревший, но измерительная головка уцелела на схеме отметил сгоревшие резисторы все они проволочные намотанные на керамических катушках кроме трёх на 33к+катушка. Пока временно заменил резисторы 687 Ом и 110Ом на построенные с примерным сопротивлением после этого заработало измерение постоянного тока на всех диапазонах и напряжения на пределах 1.5в 6в. На переменном токе и напряжении занимает в половину Диоды какие старые падения напряжения 0.82в и 1в. Что может быть причиной заниженной показаний на переменном токе?

вам виднее

Я посчитала по системе из трех уравнений получается, что решений бесконечно много. Может система не правильно составлена?

Увы. Серийное производство это совсем не радиолюбительство. Всегда прикалывался над канадскими «профессионалами» и советскими «любителями». Какие, к чёрту, «любители». Так что, давайте не будем врать самим себе. И удачи, «радиолюбитель» Василичь.

Что выбрать: MOSFET или IGBT -инвертор?

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,

• 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.

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».

Категории : Без рубрики Метки: igbt инвертор, mosfet, сварочный инвертор IGBT

One thought on “ Что выбрать: MOSFET или IGBT -инвертор? ”

1. Pingback: Тесты аппаратов для полуавтоматической сварки | Сварка своими руками