Современный сварочный аппарат основывается на инверторе, который можно разделить на два типа по используемой элементной базе: IGBT и MOSFET. Каждый из этих типов имеет свои достоинства и недостатки, что и провоцирует непрекращающиеся споры о преимуществах одного над другим.

На входе инверторного сварочного устройства установлен выпрямитель, преобразующий переменный ток с частотой 50 Гц в постоянный. Далее инвертор конвертирует постоянный ток обратно в переменный, но на большей частоте. Это делается для уменьшения размеров и веса трансформатора, который понижает напряжение и увеличивает максимальный ток. Чем выше частота, тем легче конструкция. Кроме того, для некоторых видов сварки особенно важно качество шва при использовании переменного тока с частотой от 20 до 50 кГц. Однако в реальности рабочая частота сварочных инверторов редко превышает 65 кГц, так как более высокая частота может создавать дополнительные сложности без значительных преимуществ.

В инверторах полупроводниковые приборы функционируют в ключевом режиме, что подразумевает, что в идеальном состоянии ток должен протекать только в открытом состоянии. При этом напряжение на клеммах должно быть нулевым, что предотвращает рассеивание энергии и нагрев устройства.

Однако на практике переключение из одного состояния в другое занимает время, что приводит к рассеивающим потерям. Чем быстрее происходит переключение, тем ниже нагрев и выше КПД инвертора. Потери из-за утечек в закрытом состоянии минимальны по сравнению с потерями в открытом состоянии, поэтому этот аспект при сравнении не учитывается.

Инверторы могут быть на основе тиристоров, биполярных транзисторов, MOSFET или IGBT.

Тиристоры

Ранее тиристоры были основой электронных инверторов, однако они имеют недостатки, касающиеся громоздкости и надежности, и в настоящее время эти решения считаются устаревшими.

Биполярные транзисторы

Ток между эмиттером и коллектором управляется силой тока между эмиттером и базой. У маломощных биполярных транзисторов отношение тока эмиттер-коллектор к току эмиттер-база может достигать 1000, в то время как у мощных — 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. Это требует использования усилителей тока, что усложняет конструкцию и снижает КПД. Потери мощности в режиме насыщения пропорциональны протекаемому току, но долгое время выхода из режима делает такие транзисторы менее подходящими для инверторов.

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.

Эти транзисторы имеют малое значение тока через затвор, что значительно упрощает управляющие 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. Однако потери в режиме насыщения пропорциональны квадрату протекающего тока и чем выше температура транзистора, тем выше сопротивление канала в режиме насыщения, что может вызвать перегрев и полный выход полупроводникового прибора из строя.

Чтобы избежать перегрева, в MOSFET часто используется параллельное соединение сразу нескольких транзисторов. Таким образом уменьшается сопротивление ключа в открытом состоянии, а также снижается нагрев отдельно взятого транзистора. Кроме этого, применяются мощные системы охлаждения. Перспективные решения могут включать MOSFET на основе карбида кремния, хотя на сегодняшний день их применение ограничено высокими затратами и слишком сложными схемами управления.

IGBT

IGBT объединяет достоинства MOSFET и биполярных транзисторов. 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 аналогичны, но нет необходимости в параллельном подключении нескольких транзисторов.

Сравнение

Сравнивая инверторы на MOSFET и IGBT, можно заметить, что аппараты на MOSFET, как правило, тяжелее, однако они дешевле, хотя эта разница постепенно сходит на нет.

Сторонники MOSFET указывают, что эта технология более надежна, так как 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.

Существует заблуждение, что IGBT предназначены только для профессионалов. На самом деле инверторы на IGBT легче в эксплуатации и имеют меньше защитных отключений из-за перегрева, что делает их более подходящими для домашнего использования.

В итоге, если вы выбираете новый аппарат от надежного производителя, предпочтение следует отдать IGBT. Именно такие транзисторы используются в наших сварочных инверторах, купить которые можно на официальном сайте компании VNIISSOK.