Сварка від Texas Instruments: все для інверторів зварювального струму

1. Загальні принципи побудови инверторного перетворювача
2. Використання ККМ в режимі чергування фази
3. Реалізація ККМ на UCC28070
4. драйвери затвора
5. висновок
6. література
7. Швидкісні драйвери MOSFET
8. Про компанію Texas Instruments

Зручні і компактні інверторні джерела струму для зварювальних апаратів з високим ККД і коректором коефіцієнта потужності можуть бути легко реалізовані на базі мікросхем Texas Instruments: ККМ-контролерів з режимом чергування фаз UCC280xx , Драйверів затворів силових транзисторів UCC27xxx і LM51xx , А також - в разі цифрових джерел струму - на базі мікроконтролерів з лінійки C2000.

Коли мова йде про виготовлення металоконструкцій, одним з економічних і ефективних способів з'єднання різних металів є зварювання. На сьогоднішній день існує безліч технологій, які використовують у своїй роботі різні джерела енергії для створення зварювального шва: електричну дугу, газове полум'я, лазерне випромінювання і так далі. Незалежно від використовуваної технології, для освіти і стабільного горіння зварювальної дуги необхідно забезпечити задану вольт-амперну характеристику (ВАХ). Саме ВАХ визначає якість шва і швидкість зварювального процесу. Для забезпечення необхідної ВАХ використовують спеціальні джерела живлення. Серед основних типів зварювальних джерел струму, присутніх сьогодні на ринку, можна виділити трансформаторні, випрямні, генераторні та інверторні. Кожен з представлених апаратів затребуваний при роботі з конкретними типами металу, в певних областях застосування і призначений для вирішення конкретних поставлених завдань. Наприклад, трансформаторні джерела призначені для зварювання змінним струмом, випрямні, генераторні та інверторні - для зварювання постійним струмом.

Окремо варто відзначити інверторний зварювальний апарат - ИИСТ. ИИСТ набирає свою популярність і широке поширення завдяки своїй мобільності, економічності і високої продуктивності. У більшості випадків інверторні джерела помітно підвищують зручність і продуктивність зварювання. Незважаючи на малі габарити, вони не поступаються класичними джерелами (трансформаторних і випрямним) по забезпечуваним параметрам. Зменшення габаритів ИИСТ, в основному, пов'язано з використанням в схемі інвертора малогабаритного високочастотного трансформатора замість потужного мережевого силового трансформатора, використовуваного в трансформаторних і випрямних джерелах.

Загальні принципи побудови инверторного перетворювача

Спрощено загальну схему инверторного перетворювача можна розділити на кілька основних блоків (рисунок 1): вхідний блок (фільтр, випрямляч, ККП), інвертор, вихідний випрямляч і система управління. Вхідний блок забезпечує перетворення змінного струму напруги 50 Гц в постійну напругу високого рівня. Інвертор перетворює отримане високу постійну напругу в змінну напругу високої частоти, частота перетворювача може досягати 100 кГц, в залежності від конкретного виконання. Надалі напруга знижується на високочастотному трансформаторі і випрямляється до необхідних вихідних значень 70 ... 90 В. При цьому струм навантаження в вихідних ланцюгах може досягати сотень ампер. Для підвищення ККД пристрою в якості ключів і випрямляють елементів використовуються потужні MOSFET або IGBT-транзистори. Додаткове наявність цифрової системи управління в інверторному зварювальному апараті дозволяє значно розширити функціонал пристрою. Однією з таких можливостей є плавне регулювання величини зварювального струму в широкому діапазоні. Це полегшує використання різних типів електродів і дає можливість зберігання в додатковій пам'яті найбільш часто вживаних режимів для зварювання та плазмового різання.

Мал. 1. Загальна схема джерела живлення зварювального апарату

Електронна система управління в інверторних перетворювачах також спрощує реалізацію таких додаткових функцій як:

• гарячий старт (Hot start), який використовується для підпалу електрода на початку зварювання;
• форсована дуга (Arc Force), яка за допомогою збільшення струму запобігає «залипання» електродів і забезпечує стабільність горіння дуги;
• антіпріліпаніе (Anti-Stick) - також забезпечує захист від прилипання електродів при виникненні короткого замикання.

Використання ККМ в режимі чергування фази

Крім блоку управління, в інверторних джерелах на окрему увагу заслуговує блок корекції коефіцієнта потужності (ККП). Незважаючи на питання, пов'язані з можливим взаємним впливом ККМ і інвертора, і подорожчанням вироби в цілому, використання блоку активної корекції коефіцієнта потужності забезпечує ряд важливих технічних параметрів. З функціональної точки зору використання ККМ забезпечує більшу стабільність вихідного струму і напруги інвертора, при цьому зменшує вплив вхідної напруги на вихідні параметри. З іншого боку, за своєю природою інвертор є імпульсним пристроєм і нелінійним навантаженням для мережі живлення, тому несинусоїдальний струм споживання призводить до спотворення форми напруги живлення. Використовуючи блок ККМ, ми, фактично, підтримуємо величину вхідного струму, пропорційну вхідному напрузі, і тим самим зменшуємо величину гармонійних складових і підвищуємо коефіцієнт використання вхідної потужності, що дозволяє більш раціонально використовувати електроенергію, знижуючи її споживання приладом.

У лінійці продукції компанії Texas Instruments для управління живленням можна знайти широкий спектр мікросхем, що дозволяють реалізувати потужні AC / DC-перетворювачі різного призначення, включаючи промислові системи. Одним з рішень при реалізації ККМ в джерелі з вихідною потужністю 1 кВт і більше є використання режиму чергування фаз.

Загальний принцип побудови і роботи блоку ККМ з чергуванням фази представлений на малюнку 2. Як видно з малюнка, для збільшення вихідної потужності два каскади ККМ включені паралельно на одну навантаження. При такому включенні вихідний струм розподілений між двома каскадами, і величина використовуваної індуктивності, як і її граничні струми, може бути зменшена. Крім індуктивності, менш суворі вимоги пред'являються і до інших силових компонентів схеми: до ключового транзистора, силового діода, вихідного конденсатору. Використання менших за розміром компонентів і поділ схеми на дві складові дозволяє забезпечити розподілене розсіювання тепла, так як силові компоненти рівномірно розподіляються по всій площі друкованої плати. Іншою відмінною рисою ККМ з чергуванням фази є зсув по фазі на 180 ° між паралельно працюючими вузлами. Таке включення дає ряд переваг в порівнянні з реалізацією однокаскадного ККМ на велику потужність або при простому паралельному включенні двох каскадів. Так як каскади працюють із зсувом фаз 180 °, то струмові пульсації, як по входу, так і по виходу, зменшуються за рахунок взаємокомпенсації.

Мал. 2. Схема ККМ з чергуванням фаз

Через менші за розміром вхідних пульсацій в такій схемі послаблюються вимоги до вхідного фільтру електромагнітних завад. З іншого боку, малі пульсації по виходу дають можливість використовувати вихідний конденсатор з меншим номіналом і меншою величиною пробивної напруги. Це спрощує створення блоку харчування з низьким профілем, знижує вартість реалізації і забезпечує більш високу надійність.

Реалізація ККМ на UCC28070

UCC28070 - це одна з мікросхем в лінійці Texas Instruments, що дозволяє реалізувати корекцію коефіцієнта потужності з використанням методу чергування фаз в режимі безперервного струму. Крім UCC28070 , Подібним функціоналом також володіють UCC28060 , UCC28061 і UCC28063 , Але вони розраховані на менші потужності і призначені для реалізації ККМ в режимі граничних проводимостей. Для реалізації режиму ККМ з чергуванням фази в UCC28070 використані два широтно-імпульсних модулятора (ШІМ), що працюють із зсувом фази, рівним 180 °. Як вже було зазначено, такий режим сприяє зниженню вхідних і вихідних пульсацій струму і зменшує вимоги до фільтру електромагнітних завад, а також допомагає зменшити собівартість за рахунок використання вихідного високовольтного електролітичного конденсатора меншої ємності і c меншими пробивним напругою.

Серед технічних особливостей, реалізованих в UCC28070 , Слід зазначити розмиття спектру, синхронізацію тактового генератора, управління швидкістю наростання вихідної напруги. Всі ці та деякі інші властивості UCC28070 , Поряд з реалізацією топології з чергуванням фази, дозволяють досягти підвищених значень таких параметрів як КМ, коефіцієнт гармонік, швидкість реакції на перехідні процеси. застосування UCC28070 дозволяє отримати коефіцієнт потужності більше 0,9, а також забезпечити підвищений ККД у всьому діапазоні навантажень.

На малюнку 3 показана типова схема застосування UCC28070 .

Мал. 3. Приклад використання UCC28070

Як приклад реалізації коректора потужності з чергуванням фаз на основі UCC28070 , Можна розглянути типовий дизайн PMP4311 (рисунок 4). Реалізація запропонованої схемотехніки дозволяє отримати КМ більш 0,98 при навантаженні до 5 кВт і вхідній напрузі в діапазоні 180 ... 264 В [1]. При цьому ККД рішення - не нижче 95%.

Мал. 4. Коректор коефіцієнта потужності PMP4311

Крім UCC28070 , В запропонованому рішенні застосовані обратноходового перетворювач на базі UCC28061 і драйвери силових транзисторів UCC27322 .

драйвери затвора

UCC27322 , Який використовується в типовому дизайні PMP4311, - один з представників FET / IGBT-драйверів затвора, що випускаються Texas Instruments. Основне призначення даного класу приладів - забезпечити необхідний струм заряду і розряду затвора потужних транзисторів. UCC27322 забезпечує струм близько 9 А для заряду ємності Міллера при напрузі живлення до 15 В, для чого в драйвері використовується технологія TrueDrive. На малюнку 5 представлена ​​лінійка драйверів затвора виробництва Texas Instruments.

Мал. 5. Серія драйверів затвора виробництва TI

Широка лінійка драйверів затвора дозволяє вибрати відповідну модель для управління різними типами транзисторів (MOSFET, IGBT), виконаних з використанням різних технологій (Si, SiC, GaN). Наприклад, для управління GaN силовими польовими транзисторами рекомендується використання драйверів LM5113 і UCC27611 , Які забезпечують захист від перевищення напруги на затворі більше 5 В.

Нижче, як приклад драйвера FET і IGBT, коротко розглянемо лінійку UCC2753x (рисунок 6).

Мал. 6. Функціональна блок-діаграма UCC2753X

Серед особливостей лінійки UCC2753x можна виділити наступне:

• малий час затримки - 17 нс;
• широкий діапазон робочих напруг 10 ... 35 В дає можливість використовувати драйвер з широким спектром силових транзисторів як для Si MOSFET, IGBT, так і для SiC FET;
• наявність розділеного виходу (OUTH, OUTL) дозволяє здійснювати незалежне регулювання швидкості зміни струму заряду і розряду затвора;
• блокування харчування при зниженій напрузі живлення.

Коротко про цифровому управлінні

Таку ж функціональність, як і в разі аналогової схеми реалізації ИИСТ, можна отримати, використовуючи цифрове управління. В такому джерелі струму в якості контролера інвертора і ККМ використовується мікроконтролер. Система будується з використанням цифрових алгоритмів управління, що виконуються мікро контролером, і програмованого ШІМ для керування силовим каскадом.

Типова схема цифрового джерела живлення включає мікроконтролер (МК), ШІМ, АЦП, силовий каскад (рисунок 7).

Мал. 7. Спрощена діаграма цифрового перетворювача

Для реалізації цифрового джерела живлення важливі такі властивості:

• АЦП повинен володіти достатньою швидкістю для управління петлею зворотного зв'язку. Крім того, необхідно забезпечити його щільне взаємодія з мікро контролером і ШІМ для швидкого відгуку системи;
• сам МК повинен володіти достатньою продуктивністю для обчислення необхідних функцій управління при одночасному зчитуванні даних з АЦП і управлінні ШІМ;
• ШІМ повинен володіти достатньою гнучкістю управління для реалізації складних топологій і забезпечення ефективного управління силовим каскадом;
• необхідна наявність компаратора, вбудованого в МК, для прецизійного управління виходами ШІМ і контролю силового каскаду.

Всі перераховані вище вимоги легко реалізуються за допомогою мікроконтролерів TI сімейства С2000. Інтегровані АЦП даного сімейства можуть працювати на частоті до 4,6 Мвиб / с, при цьому забезпечується щільна зв'язка між АЦП і ШІМ. Сам ШІМ дозволяє забезпечити точність близько 150 пс. У чіп інтегрований компаратор, який дозволяє реалізувати режим управління по піковому струму. Саме ядро ​​мікроконтролера містить ряд апаратних прискорювачів, які дозволяють легко реалізувати математичні функції, необхідні для реалізації цифрового джерела живлення. Узагальнений приклад реалізації цифрового перетворювача на базі С2000 наведено на малюнку 8.

Мал. 8. Приклад використання C2000 в цифровомуперетворювачі напруги AC / DC

Для простоти реалізації цифрового перетворювача напруги компанія TI пропонує набір готових бібліотек і засоби налагодження для перевірки їх функціональності. Для швидкого старту при розробці цифрового джерела живлення для зварювальних апаратів на основі контролера реального часу C2000 слід звернути увагу на демонстраційні набори TMDSHVBLPFCKIT , TMDSHVPFCKIT , TMDSHVPSFBKIT і TMDSHVRESLLCKIT (Рисунок 9) [3, 4].

Мал. 9. Демонстраційний набір
TMDSHVRESLLCKIT

TMDSHVBLPFCKIT і TMDSHVPFCKIT показують можливості реалізації цифрового ККМ з чергуванням фази на базі мікроконтролерів TMS320F28035 і TMS320F28027 при роботі від мережі змінного струму з вхідною напругою в діапазоні 85 ... 265 В і вихідним напругою 390 В. Основна відмінність між представленими наборами, крім різних мікроконтролерів, що поставляються за замовчуванням - це реалізація в TMDSHVBLPFCKIT ККМ без вхідного випрямного моста. Обидва набори можуть використовуватися спільно з TMDSHVPSFBKIT і TMDSHVRESLLCKIT для реалізації повноцінного цифрового AC / DC-перетворювача.

TMDSHVPSFBKIT і TMDSHVRESLLCKIT демонструють можливості реалізації високовольтного DC / DC-перетворювача з синхронним випрямлячем на базі мікроконтролера TMS320F28027 . За допомогою TMDSHVRESLLCKIT можна легко перевірити можливості реалізації резонансного DC / DC-перетворювача і поекспериментувати з різними методами управління. Наявна в комплекті плата управління (controlCard) з TMS320F28027 в разі необхідності може бути замінена на аналогічну з іншим мікро контролером з сімейства С2000. За допомогою TMDSHVPSFBKIT також легко перевірити можливості реалізації цифрового мостового DC / DC-перетворювача.

Для простоти розробки все налагоджувальні засоби Texas Instruments підтримуються великої документацією, докладними прикладами типових рішень і великим набором відкритих вихідних кодів, які можна знайти в середовищі controlSUITE, що істотно полегшує навчання розробника. Для зручності налагодження та експериментування все набори мають USB JTAG-інтерфейс. Програмування модулів може бути здійснено за допомогою графічних елементів середовища розробки.

висновок

Компанія Texas Instruments пропонує сучасні рішення для розробки передових інверторних джерел живлення зварювальних апаратів. Інверторні джерела живлення дозволяють створювати промислові прилади для реалізації різних методів зварювання при виробництві складних і відповідальних металоконструкцій з різних матеріалів, а демонстраційні набори TI дозволяють швидко почати власну розробку. Надійні, високотехнологічні компоненти TI дають можливість створювати передові джерела живлення для зварювальних апаратів на базі як аналогових, так і цифрових рішень. Наявні компоненти Texas Insruments дозволяють реалізувати різні функції AC / DC-перетворювачів - від управління затворами силових транзисторів до реалізації окремих блоків: ККМ, інвертора, системи управління.

література

1. http://www.ti.com/product/ucc28070;
2. http://www.ti.com/product/ucc27322;
3. http://www.ti.com/tool/tmdshvpsfbkit;
4. http://www.ti.com/tool/tmdshvresllckit.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Швидкісні драйвери MOSFET

UCC27321 / 2 - високошвидкісні драйвери, що забезпечують піковий струм до 9 А. Дані драйвери призначені для управління потужними MOSFET, які вимагають високих струмів для перезарядження ємності Міллера при швидкому перемиканні. Вони служать інтерфейсом між мікроконтролерами з низьким енергоспоживанням і потужними MOSFET. При навантаженні CL = 10 нФ драйвери забезпечують фронти 20 нс, при цьому час затримки сигналу становить 25 нс для спадної фронту і 35 нс для наростаючого. Використання драйверів дозволяє зменшити площу плати управління за рахунок спрощення дизайну і використання однієї мікросхеми замість безлічі дискретних компонентів. UCC27321 / 2 реалізує два типу логіки управління: з інвертуванням (UCC27321) і без інвертування (UCC273212) керуючого сигналу.

Робочий діапазон напруг драйверів - 4 ... 15 В. Для забезпечення ефективного управління при низькій напрузі харчування в драйвері застосований гібридний вихідний каскад (TrueDrive), який використовує паралельне включення MOSFET і біполярного транзистора. Така архітектура дозволяє використовувати драйвер в більшості стандартних промислових застосувань, що вимагають струму затвора значенням в 6, 9 і 12 А. Вбудований паразитний діод інтегрованого в драйвер MOSFET забезпечує малий імпеданс сплесків напруги і дозволяє у багатьох випадках відмовитися від зовнішнього обмежує діода Шотки.

Для гнучкості управління драйвером в мікросхемі передбачений додатковий висновок дозволу (ENBL). За замовчуванням він підтягнутий до напруги харчування і може бути залишений непідключеним при стандартному застосуванні.

Драйвери доступні в декількох корпусах - SOIC-8, PDIP-8, MSOP-8 PowerPAD. Корпус PowerPad має істотно меншим температурним опором, що дозволяє використовувати драйвер при високих температурах і поліпшити довгострокову надійність.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі