Igbt силовые транзисторы international rectifier шестого поколения

Паразитные индуктивности

Наличие распределенных индуктивностей в цепях коммутации, включающих силовые терминалы и внутренние соединения между кристаллами, является общей проблемой электронных модулей, работающих с большими скоростями изменения тока. Высокий уровень di/dt при выключении приводит к возникновению всплесков напряжения на транзисторах и диодах. Влияние паразитных индуктивностей в цепях нагрузки и управления (выход драйвера) приводит к искажению сигнала управления «затвор–эмиттер» VGE и ложным срабатываниям транзистора.

На рис. 1 показан IGBT с антипараллельным диодом и паразитная индуктивность Ls в цепи «затвор–эмиттер». Схема является очень упрощенной, на практике распределенные элементы образуют сложную систему, созданную эффектами самоиндукции и взаимоиндукции в силовых и сигнальных цепях.

Рис. 1. Влияние паразитной индуктивности в цепи «затвор–эмиттер»

При изменении тока нагрузки в индуктивности Ls на ней образуется перепад напряжения вследствие явления самоиндукции. Значение наведенного сигнала рассчитывается с помощью Закона Фарадея:

nLs = Ls × diLs/dt.

При положительном изменении тока напряжение «затвор–эмиттер» VGE уменьшается в соответствии с уравнением (рис. 1), при отрицательном значении diLs/dt значение VGE увеличивается:

VGE’ = VGE – nLs.

Соответственно, включение и выключение IGBT или диода D вызывает изменение тока в паразитной индуктивности Ls. На рис. 2 показана блок-схема одной фазы инвертора с распределенными индуктивностями Ls1 и Ls2 в цепях «затвор–эмиттер» (слева), а также эпюры тока и напряжения на Ls2 при включении и выключении IGBT Т2 и диода D2.

Рис. 2. Влияние паразитных индуктивностей в цепи «затвор–эмиттер» в полумостовой схеме

Когда транзистор Т2 открывается, он начинает проводить ток нагрузки, который до этого шел через диод D1. До момента появления пика обратного тока (t0–t1) на паразитной индуктивности Ls2 наводится положительный сигнал, уменьшающий напряжение «затвор–эмиттер» VGE2’. Во время спада обратного тока диода D2 (t1–t3) на Ls2 индуцируется отрицательный сигнал, при этом значение VGE2′ возрастает.

При выключении IGBT Т2 его ток перекоммутируется в диод D1. Напряжение, наведенное на паразитной индуктивности Ls2, увеличивает сигнал управления затвором VGE2 на период времени t4–t5. В обоих случаях распределенная индуктивность формирует отрицательную обратную связь для IGBT, снижающую скорость коммутации и увеличивающую уровень динамических потерь. В этом есть и положительный побочный эффект, который состоит в улучшении управляемости при отключении тока короткого замыкания .

При запирании транзистора Т1 диод D2 включается и берет на себя его ток. С момента t4 и до t5 наведенный сигнал vLs2 увеличивает напряжение «затвор–эмиттер» транзистора Т2. Однако его паразитное включение в этот период времени не создает проблем, поскольку ток проходит в другом направлении через антипараллельный диод D2.

Критическим является момент включения IGBT Т1, когда он принимает на себя ток диода D2. В процессе выключения D2 (период времени t1–t3) напряжение «затвор–эмиттер» IGBT Т2 возрастает. Если оно достигнет порогового уровня VGEth, транзистор Т2 откроется, результатом чего будет возникновение сквозного тока в полумостовом каскаде и резкий рост потерь Т1 и Т2.

Определение целостности полевого радиоэлемента

Такой тип электронного прибора не получится проверить без выпайки из схемы. Способ проверки как для n-канального, так и для p-канального, а также IGBT вида, одинакова. Разница лишь в полярности, прикладываемой к выводам. Например, исправность F3NK80Z n-канального прибора выясняется по следующему алгоритму:

Мультиметр переключается в режим прозвонки.
Щуп общего провода прикасается к стоку прибора, а положительный — к истоку.
Щуп переставляется с истока на затвор. Переход в транзисторе откроется.
Возвращаем щуп на исток. Значение сопротивления должно быть маленьким, прибор, если у него есть звуковая прозвонка, запищит.
Для закрытия прибора щуп общего провода соединяется с затвором, при этом положительный щуп с истока не снимается.
Устанавливается положения щупов согласно первому пункту.

Для мощных полевых приборов может случиться так, что напряжения тестера не хватит для его открытия. Так как прозвонить такой полевой транзистор мультиметром не удастся, понадобиться применить дополнительное питание. В таком случае в разрыв через сопротивление 1–2 кОм подаётся постоянное напряжение равное 12 вольт.

Существуют такие радиоэлементы, например, КТ117а, имеющие две базы. Их относят к однопереходным приборам. В современных устройствах они не получил широкого применения, но порой встречаются. У них нет коллектора.

Такие транзисторы тестером проверяются только на отсутствие короткого замыкания между выводами. Убедиться в его работе можно воспользовавшись схемой генератора.

Устройство и принцип работы динистора

Структура, УГО и ВАХ динистора приведены на рисунке:

Внешняя p-область называется анодом (А), внешняя n-область называется катодом (К). Три p-n перехода обозначены цифрами 1, 2, 3. Структура динистора 4-х-слойная – p-n-p-n.

Питающие напряжение Е подаётся на динистор таким образом, что 1 из 3 переходы открыты и их сопротивления незначительны, а переход 2 закрыт и все питающие напряжение Uпр приложено к нему. Через динистор протекает небольшой обратный ток, нагрузка R отключена от источника тока питания Е.

При достижении критического напряжения, равному напряжению включения Uвкл переход 2 открывается, при этом все три перехода 1, 2, 3 будут находится в открытом (включенном) состоянии. Сопротивления динистора падает до десятых долей Ома.

Напряжение включения составляет величину нескольких сотен вольт. Динистор открывается, и через него протекают значительные по величине токи. Падение напряжения на динисторе в открытом состояние составляет 1-2 вольта и мало зависит от величины протекающего тока, величина которого равна τa ≈ E / R, а UR ≈ E, т.е. нагрузка подключена к источнику питания Е. Напряжение на динисторе, соответствующее предельно допустимую точку Iоткр.max, называется напряжением открытого состояния Uокр. Предельный допустимый ток составляет величины от сотен мА до сотен А. Динистор находится в открытом состоянии, пока протекающий через него ток не станет меньше тока удержания Iуд. Динистор закрывается при уменьшении внешнего напряжения до величины порядка 1В или при перемене полярности внешнего источника. Поэтому такой прибор используется в цепях переходного тока. Точки В и Г соответствуют граничным значениям токов и напряжений динистора. Время восстановления сопротивления перехода 2 после снятия питающего напряжения составляет порядка 10-30 мкс.

Динисторы по своему принципу – приборы ключевого действия. Во включенном состоянии (участок БВ) он подобен замкнутому ключу, а в выключенном (участок ОГ) — разомкнутому ключу.

Снижение момента при работе от преобразователя частоты

С учетом повышенных потерь и увеличенного нагрева, вызываемых гармониками питающего напряжения и тока, электродвигатель при номинальной скорости имеет меньший допустимый момент, чем при работе от сети. Кроме этого, из-за падения напряжения на элементах силовой цепи преобразователя частоты так же происходит снижение допустимого момента электродвигателя. Поскольку повышенный нагрев приводит к ускоренному старению изоляции обмоток электродвигателя, эксплуатация двигателя с номинальной нагрузкой снижает срок его службы.

С учетом различных параметров электродвигателя и спектральных составов напряжения инвертора и тока электродвигателя, а так же запаса двигателя по нагреву, заложенного в конструкцию мотора, представляется возможным определить кратность снижения момента электродвигателя. Однако решение данной задачи достаточно сложно для непосредственного пользователя электродвигателя, поэтому лучше при выборе электродвигателя ориентироваться на данные о снижении момента и мощности мощности при питании от преобразователя частоты, предоставленные производителем электродвигателя. Исседования, проведенные при подготовке ГОСТ Р МЭК/ТС 60034-17-2009 показывают, что в зависимости от параметров и конструкции электродвигателя кратность допустимого момента при питании от преобразователя частоты лежит в пределах от 0,8 до 1,0.

Сплошная линия на рисунке 3 показывает зависимость напряжения от частоты, при которой обеспечивается постоянство магнитного потока при синусоидальном питании. Такой закон регулирвоания позволяет поддерживать постоянный момент при условии, что активное сопротивление статора много меньше индуктивных сопротивлений в схеме замещения. Посокльку при снижении частоты, величины индуктивных сопротивлений падают, управление преобразователем необходимо осуществлять в соответствии с зависимостью, показанной на рисунке 3 пунктиром.

Рисунок 3 — Зависимость напряжения U₁ от частоты f₁

При увеличении частоты выше номинальной (f₁/f_N > 1,0) напряжение поддерживается на уровне номинального и асинхронный электродвигатель работает в режиме ослабления поля. Перегрузочная способность электродвигателя по моменту (кратность допустимого момента T₁/T_N) снижается при увеличении частоты в соответствии с зависимостью, приведенной на рисунке 4.

Рисунок 4 — Кратность допустимого момента короткозамкнутого асинхронного электродвигателя типа N (с самовентиляцией) в зависимости частоты при питании от инвертора.

Типичная зависимость кратности допустимого момента от частоты при питании от инвертора для электродвигателя типа N (с самовентиляцией) представлена на рисунке 4. Подобные кривые могут быть получены производителем электродвигателя расчетным или экспериментальным способом и будут отличаться при использовании инверторов различных типов.

В практических целях при оценке кратности допустимого момента при питании от преобрзователя частоты можно пользоваться следующими рассуждениями: исходя из параграфа 2 настоящей статьи, при наиболее распространенных частотах ШИМ около 3 кГц, дополнительные потери в двигателе составляют около 20%. При этом кратность допустимого момента электродвигателя на номинальной частоте вращения составляет около 0,8. Если электродвигатель имеет сервис-фактор S.F., больший единицы, то результирующую кратность допустимого момента при питании от преобразователя частоты можно оценить как 0,8 х S.F. Значение сервис-фактора является стандартной величиной и может быть получено у изготовителя электродвигателя. Обычное значение сервис-фактора общепромышленного элекродвигателя составляет 1,0.

Для оценки кратности допустимого момента электродвигателя без принудительной вентиляции на других частотах питающего напряжения можно воспользоваться графиком, представленным на рисунке 4, скорректированным с учетом полученной кратности допустимого момента на номинальной частоте вращения.

Принцип действия и конструктивные особенности

Чтобы преобразовать нагрузку применяют тиристорный преобразователь цепей высокого напряжения на основе IGBT. Частотный преобразователь на тиристорах – это прибор преобразования тока, регулировки его параметров и уровня тока. Частотным преобразователем можно выровнять значения параметров приводов на электромоторах: угол, обороты вала при запуске и другие.

Схема тиристорного выравнивателя.

Для мотора постоянного тока используют преобразователь на тиристорах. Достоинства этого прибора позволили создать ему широкое применение. К преимуществам относятся:

КПД (95%) у марки ПН-500.
Область контроля: мотора от малых мощностей до мегаватт.
Может выдерживать значительные импульсы нагрузок запуска двигателя.
Долговечная и надежная эксплуатация.
Точность.

Недостатки имеются и у этой системы. Мощность находится на низшем уровне. Это проявляется при точном регулировании процесса производства. В качестве компенсации используют дополнительные устройства. Такой частотный преобразователь не может работать без помех. Это видно при эксплуатации чувствительных приборов электрооборудования и радиотехнических устройств.

Составные части:

Реактор в виде трансформатора.
Блоки выпрямления тока.
Реактор для сглаживания преобразования.
Перенапряжение не воздействует на защиту.

Преобразователи (2017 г) подключаются через реактор. Трансформатор служит для согласования звена напряжения выхода и входа, выравнивания между ними напряжения. Схема электрического соединения включает в себя реактор для сглаживания. Частотный преобразователь имеет схему, в которой есть сглаживающий реактор.

Частотник пропускает нагрузку. Нагрузка идет в блоки выпрямителя в выходное звено. Чтобы выровнять питание нескольких устройств подключают индукционные потребители на специальных шинах.

Преобразователи частоты бывают двух типов – высокочастотные и низкочастотные. Подбор нужной модели осуществляется по необходимым параметрам цепей электроэнергии. В 3-фазных станках тип подключения иной. 1-фазный ток переносит воздействия, но КПД теряется на преобразовании 3-фазного тока.

Система применяется в плавильном производстве, контроле подъемно-транспортных устройствах, сварочном производстве. Такой принцип работы нагрузки реализовывает систему двигателя с генератором. На наименьших оборотах двигателя происходит регулировка оборотов шпинделя в широком диапазоне, настройка разных характеристик привода мотора.

Обзор мощных диодов серии W от ST

Мощные быстродействующие диоды серии W разработаны специально для работы в составе мощных импульсных преобразователей с жесткими условиями переключений. Для этого их характеристики соответствующим образом оптимизированы (таблица 7):

для снижения статической мощности прямое падение напряжения уменьшено (от 0,92 В);
обратное напряжение достигает 600 В;
средний ток достигает 200 А;
время восстановления и обратный ток существенно снижены для сокращения энергии на переключение;
большинство диодов выпускаются в сдвоенном исполнении.

Таблица 7. Мощные быстродействующие диоды производства STMicroelectronics

Наименование	Корпус	Диодов в корпусе	Uобр макс., В	Iср макс., A	Uпрям макс. при токе, В	tвосcт. макс., нс	Tкристалла макс., °C
STTH20W02C	TO-247	2	200	10	1,05 (10 А)	25	175
STTH30W02C	TO-247	2	200	15	1,15 (15 А)	27	175
STTH60W02C	TO-247	2	200	60	0,92 (30 А)	30	175
STTH200W03TV1	ISOTOP	2	300	200	1,15 (100 А)	50	150
STTH60W03C	TO-247	2	300	30	1,15 (30 А)	35	175
STTH30W03C	TO-247	2	300	15	1,4 (15 А)	25	175
STTH200W04TV1	ISOTOP	2	400	200	1,55 (100 А)	55	150
STTH61W04S	TO-247	1	400	60	1,15 (30 А)	55	175
STTH100W04C	TO-247	2	400	100	1,2 (50 А)	50	175
STTH200W06TV1	ISOTOP	2	600	200	1,3 (100 А)	75	150
STTH100W06C	TO-247	2	600	100	1,15 (50 А)	75	175
STTH50W06S	TO-247	1	600	50	1,75 (50 А)	45	175

Проверка составного транзистора

Такой полупроводниковый элемент еще называют «транзистор Дарлингтона», по сути это два элемента, собранные в одном корпусе. Для примера, на рисунке 6 показан фрагмент спецификации к КТ827А, где отображена эквивалентная схема его устройства.

Рис 6. Эквивалентная схема транзистора КТ827А

Проверить такой элемент мультиметром не получится, потребуется сделать простейший пробник, его схема показана на рисунке 7.

Рис. 7. Схема для проверки составного транзистора

Обозначение:

Т – тестируемый элемент, в нашем случае КТ827А.
Л – лампочка.
R – резистор, его номинал рассчитываем по формуле h21Э*U/I, то есть, умножаем величину входящего напряжения на минимальное значение коэффициента усиления (для КТ827A – 750), полученный результат делим на ток нагрузки. Допустим, мы используем лампочку от габаритных огней автомобиля мощностью 5 Вт, ток нагрузки составит 0,42 А (5/12). Следовательно, нам понадобится резистор на 21 кОм (750*12/0,42).

Тестирование производится следующим образом:

Подключаем к базе плюс от источника, в результате должна засветиться лампочка.
Подаем минус – лампочка гаснет.

Такой результат говорит о работоспособности радиодетали, при других результатах потребуется замена.

Тиристоры и симисторы

Тиристор
— это полупроводниковый прибор, который может находится в двух
состояниях:

открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для
включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину
времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не
менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться
для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой
мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он
позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания
нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет
постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв
полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так
называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным
током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания
(\(I_H\)). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток
через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не
откроется

Критерии выбора частоты

На практике частота ШИМ может задаваться пользователем, как правило, в пределах от 1 до 15 килогерц. Для того чтобы получить напряжение по форме более-менее близкой к синусоидальной, частота ШИМ должна быть в 20-30 раз больше максимальной выходной частоты, которую вы хотите получить.

Вы можете выбрать частоту ШИМ произвольно под свою конкретную задачу. Есть несколько параметров, которые определяют выбор.

Рис.7. Параметры, влияющие на выбор частоты ШИМ

1. Длина кабеля до двигателя. Чем длиннее кабель, тем меньшую частоту ШИМ можно задать. Например если у вас длина кабеля 100 метров и больше, то частоту ШИМ больше 2,3 килогерц нет смысла ставить, иначе на этой длине будут большие потери и напрасный расход мощности.

2. Акустический шум двигателя. При питании двигателя от преобразователя частоты слышится посторонний шум. Он зависит именно от частоты ШИМ, которую вы задали. Чем она выше, тем выше тон звука. Если задана чистота более 8,10 килогерц, шума практически не слышно. На более низких частотах (1,3,5 килогерц) этот шум значителен и вызывает дискомфорт.

3. Максимальная выходная частота. Большинство двигателей используют максимальную выходную частоту инвертора 50 гц, поэтому здесь частота ШИМ должна быть не менее чем в 20 раз выше. Здесь можно задавать частоту 1, 2, 3, 5 килогерц из всего диапазона.

Если вы используете высокоскоростной двигатель, например 400-герцевый, то здесь уже частоту ШИМ 1,3,5 килогерц ставить не стоит: на выходе будет не синусоида. Для таких скоростных двигателей частота ШИМ выбирается максимально возможной для данного инвертора, скажем, 15 килогерц.

4. Тепловыделение инверторной части преобразователя. Оно связано с тем, что IGBT-транзисторы, которые формируют выходное напряжение, не идеальны, подвержены разогреву в процессе работы. Для того чтобы эффективно отводить тепло, надо применять соответствующие радиаторы, вентиляторы охлаждения. Чем больше тепловыделение в этой инверторной части, тем более мощные приборы для охлаждения надо использовать.

Двухтрансформаторные преобразователи частоты

Двухтрансформаторная схема работает следующим образом:

Напряжение 6-10 кВ подается на первый трансформатор, где снижается до 660 кВ. Далее напряжение подается на низковольтный преобразователь частоты, фильтруется и преобразуется в повышающем трансформаторе.

Преобразователи частоты, построенные по такой схеме, имеют относительно низкую цену и простую конструкцию. К преимуществам такой схемы относятся:

Возможность выбирать напряжение питания для двигателя в диапазоне 2-10 кВ.
Гальваническая изоляция от электросети.
Возможность располагать трансформаторы на большом расстоянии от частотного преобразователя.
Отсутствие паразитной высокочастотной составляющей, подшипниковых токов.

Однако, такая схема имеет и недостатки. Масса и габариты таких преобразователей значительно больше размеров и веса аналогичных высоковольтных устройств на транзисторах и тиристорах. К особенностям, ограничивающим применение двухтрансформаторных устройств, также относятся:

Необходимость применения кабелей большого сечения.
Ограниченный диапазон регулирования скорости электродвигателя.

В низковольтной части преобразователей электроприводов мощностью от 1 МВт приходится использовать кабели на токи несколько тысяч ампер.

При снижении частоты в выходной цепи частотного преобразователя, во втором трансформаторе увеличивается насыщение сердечника. При увеличении частоты выходного напряжения, потери на перемагничивание и вихревые токи существенно возрастают. Это ограничивает диапазон регулирования частоты. Для решения этой проблемы используются магнитопроводы увеличенного сечения и емкостные фильтры для коррекции Cos φ. Это увеличивает стоимость, усложняет схему и увеличивает массу и габариты преобразователя.

Применение таких устройств ограничивается мощностью привода. Двухтрансформаторные частотные преобразователи применяют для двигателей на 0,5-1 МВт.

IGBT-транзисторы

Объединив положительные качества биполярных и полевых, с изолированным затвором, транзисторов, можно получить для низкочастотной (имеется в виду промышленная частота 50-60 Hz) техники весьма достойный переключающий элемент – IGBT. Его обозначение и упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке выше. Схема собрана подобно дарлингтоновской для биполярных. Полевой транзистор с n-каналом фактически служит усилителем тока с большим усилением, и хорошо открывает связанный с ним биполярный транзистор, который служит силовым в данной паре. Его эмиттер в этой структуре назван коллектором и наоборот (по “принципу утки” – по отношению к клеммам прибор отчасти ведет себя как биполярный транзистор с гигантским усилением). В то же время, нельзя считать IGBT простой схемой, которую “спаяли” из n-канального полевого и pnp-биполярного транзисторов, – это именно полупроводниковая структура, а не схема. Формальные переход база-коллектор биполярной части и канал полевой образуют единую структуру на кристалле.

Область применения IGBT транзисторов по электрическим параметрам лежит от 300 В и выше, по частоте – до 10 кГц. Это как раз хорошо подходит для промышленной частоты (в применении частотников). IGBT применяются в электроприводах, начиная от небольших электроинструментов вплоть до электровозов. То, что они работают в области не очень высоких частот, в отличие от mosfet, избавляет от множества проблем, связанных с паразитными индуктивностями и емкостями – управляющий транзистор в такой структуре чувствует себя вполне комфортно, его частота переключений сравнительно невелика. Значит, легче перезаряжать затворную емкость.

Большой проводимости от него, в данном случае, не требуется. Выходной pnp биполярный транзистор устроен таким образом, что выдерживает большое обратное напряжение и может работать в инверсном режиме. Простота управления IGBT и область безопасной работы оказались гораздо выше, чем у биполярных транзисторов. IGBT, как таковые, не имеют встроенного обратного диода, но такой диод с быстрым восстановлением может быть добавлен в схему или внешним образом, или интегрирован на кристалле, если это нужно для той области, для которой предназначается прибор.

IGBT появились в 1983 году (в IR запатентовали первый образец)

Первые образцы неважно переключались и были ненадежными, поэтому на рынок, как следует, не вышли. Трудности были технологическими, связанными с получением пластин толщиной около 100 мкм

Их преодоление, а также появление Trench-технологии для изготовления MOSFET позволили резко снизить сопротивление канала в открытом состоянии, и это позволило приблизить свойства IGBT практически к свойствам традиционного механического выключателя, но без присущего ему образования дуги и на несколько порядков высоким быстродействием.

Транзисторы IGBT применяют в частотных преобразователях, устройствах плавного пуска, они интенсивно вытесняют тиристоры из всех областей, несмотря на свою значительную цену. Из используют в источниках питания, инверторах, электроприводах, сварочных питающих устройствах, на транспорте.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET,
то есть полевые транзисторы с изолированным
затвором
(они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются
исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше
порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через
транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное
преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё
время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET
(даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные
транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её
«снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор
открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает
пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать
дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или
открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через
затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный
конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот
конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И
если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё
потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует,
фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где \(V\) — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы
ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление
резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как
постоянная времени \(\tau = RC\) увеличится

Это важно, если транзистор
часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это
пороговое напряжение \(V_{th}\), максимальный ток через сток \(I_D\) и
сопротивление сток — исток \(R_{DS}\) у открытого транзистора. Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель	\(V_{th}\)	\(\max\ I_D\)	\(\max\ R_{DS}\)
2N7000	3 В	200 мА	5 Ом
IRFZ44N	4 В	35 А	0,0175 Ом
IRF630	4 В	9 А	0,4 Ом
IRL2505	2 В	74 А	0,008 Ом

Для \(V_{th}\) приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных
транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно
отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот
транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с
напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов
достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях
управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной
мощности в виде тепла.

Подведем итог

https://youtube.com/watch?v=P1zWiU201Pk

В завершение нашей статьи хочется порекомендовать новичка в сварочном деле не волновать о выборе транзисторов. MOSFET сравнительно дешевле в ремонте и для вас будет привести его в рабочее состояние намного легче.

А если вы мастер сварочного дела, то конечно для работы вам будет нужно IGBT инвертор. Разумеется, их обслуживание будет дороже, но зато есть возможность использовать больше мощности.

В любом случае, какой бы прибор вы не выберите, современный и компактный инвертор будет помогать вам при выполнении любых сварочных работ.

Дополнительные функции помогут даже абсолютному новичку почувствовать себя мастером сварочных работ. Конечно, инверторный сварочный прибор намного сложнее чем классический трансформатор.