Сварка от Texas Instruments: все для инверторов сварочного тока

4 июня 2015 г

Статья Texas Instruments MOSFET

Удобные и компактные инверторные источники тока для сварочных аппаратов с высоким КПД и корректором коэффициента мощности могут быть легко реализованы на базе микросхем Texas Instruments: ККМ-контроллеров с фазопеременным режимом UCC280xx, драйверов затворов силовых транзисторов UCC27xxx и LM51xx, а также — в случае цифровых источников тока – на базе микроконтроллеров из рабочени C2000.

При изготовлении металлоконструкций сварка является одним из самых экономичных и эффективных способов соединения различных металлов. На сегодняшний день существует множество технологий, использующих в своей работе разные источники энергии для создания сварочного шва: электрическую дугу, газовое пламя, лазерное излучение и так далее. Независимо от применяемой технологии для формирования и стабильного горения сварочной дуги необходимо обеспечить заданную вольтамперную характеристику (ВАХ). Именно ВАХ определяет качество сварного шва и скорость сварочного процесса. Для спецификации требуемой ВАХ используйте специальные источники питания. Среди основных типов источников сварочного тока, представленных сегодня на рынке, можно выделить трансформаторный, выпрямительный, генераторный и инверторный типы. Каждое из представленных приспособлений требуется при работе с конкретными видами металла, в определенных областях применения и предназначено для решения конкретных задач. Например, трансформаторные источники предназначены для сварки переменным током, выпрямители, генераторы и инверторы — для сварки постоянным током.

Отдельно стоит отметить инверторный источник сварочного тока — ИИСТ. ИИСТ набирает популярность и широкое распространение благодаря своей мобильности, экономичности и высокой производительности. В большинстве случаев инверторные источники заметно повышают удобство и производительность сварки. Несмотря на небольшие габариты, по параметрам они не уступают классическим источникам (трансформаторным и выпрямительным). Уменьшение габаритов ИИСТ в основном связано с применением в инверторной схеме малогабаритного высокочастотного трансформатора вместо мощного сетевого силового трансформатора, применяемого в трансформаторно-выпрямительных источниках.

Общие принципы построения инверторного преобразователя

Упрощенную общую схему инверторного преобразователя можно разделить на несколько основных блоков (рисунок 1): входной блок (фильтр, выпрямитель, ККМ), инвертор, выходной выпрямитель и система управления. Блок ввода обеспечивает преобразование переменного тока сетевого напряжения 50 Гц в постоянное напряжение высокого уровня. Инвертор преобразует полученное высокое постоянное напряжение в переменное напряжение высокой частоты, частота преобразователя может достигать 100 кГц, в зависимости от конкретного исполнения. В дальнейшем напряжение на высокочастотном трансформаторе понижают и выравнивают до необходимых выходных значений 70…90 В. В этот момент ток нагрузки в выходных цепях может достигать сотен ампер. Мощные МОП-транзисторы или IGBT-транзисторы используются в качестве переключателей и выпрямительных элементов для повышения эффективности устройства. Дополнительное наличие цифровой системы управления в инверторном сварочном аппарате позволяет значительно расширить функционал устройства. Одной из таких возможностей является плавная регулировка величины сварочного тока в широком диапазоне. Это облегчает использование различных типов электродов и дает возможность запоминания в дополнительной памяти наиболее часто используемых режимов сварки и плазменной резки.

Инжир. 1. Общая схема источника сварочного аппарата

Инжир. 1. Общая схема источника сварочного аппарата

Электронная система управления в инверторных преобразователях также упрощает реализацию таких дополнительных функций, как:

  • горячий старт (Hot start), используемый для зажигания электрода в начале сварки;
  • форсированная дуга (Arc Force), которая с помощью увеличения тока предотвращает «залипание» электродов и обеспечивает стабильность горения дуги;
  • антипригарный (Anti-Stick) – также обеспечивает защиту от залипания электродов в случае короткого замыкания.

Использование ККМ в режиме чередования фазы

Кроме блока управления, блок корекции кофезита качества (ККМ) имеет место блок корекции кофециата пачита (ККМ). Несмотря на вопросы, связанные с возможным взаимным влиянием ККМ и инвертора, и увеличением изделия в целом, использование блока активной коррекции коэффициента мощности обеспечивает ряд важных технических параметров. С функциональной точки зрения использование ККМ обеспечивает большую стабильность выходного тока и напряжения инвертора, уменьшая при этом влияние входного напряжения на выходные параметры. С другой стороны, инвертор по своей природе является импульсным устройством и нелинейной нагрузкой для питающей сети, поэтому несинусоидальность тока потребления приводит к искажению формы питающего напряжения. С помощью блока ККМ мы, по сути, сохраняем значение входного тока, пропорциональное входному напряжению, и тем самым снижаем значение гармонических составляющих и повышаем коэффициент использования входной мощности, что позволяет более рационально использовать электроэнергию, снижая ее потребление устройством.

В ассортименте продукции компании Texas Instruments для управления питанием можно найти широкий спектр микросхем, позволяющих реализовать мощные AC/DC преобразователи различного назначения, в том числе и для промышленных систем. Одним из решений при реализации ККМ в источнике выходной мощностью 1 кВт и более является использование режима чередования фаз.

Общий принцип построения и работы блока ККМ с чередованием фаз представлен на рисунке 2. Как видно из рисунка, два каскада ККМ включены параллельно на одну нагрузку для увеличения выходной мощности. При таком включении выходной ток распределяется между двумя каскадами, а величина используемой индуктивности, а также ее предельных токов может быть уменьшена. Помимо индуктивности менее жесткие требования предъявляются и к другим силовым элементам схемы: к ключевому транзистору, силовому диоду и выходному конденсатору. Использование более мелких компонентов и разделение схемы на два компонента позволяет обеспечить распределенный отвод тепла, так как силовые компоненты равномерно распределены по всей площади печатной платы. Еще одной отличительной особенностью ККМ с чередованием фаз является фазовый сдвиг на 180° между параллельно работающими узлами. Такое включение дает ряд преимуществ по сравнению с реализацией однокаскадных ККМ при большей мощности или при простом параллельном включении двух каскадов. Так как каскады работают со сдвигом фаз на 180°, пульсации тока как на входе, так и на выходе уменьшаются за счет взаимной компенсации.

Инжир. 2. Схема ККМ с чередованием фаз

Инжир. 2. Схема ККМ с чередованием фаз

Из-за меншейы входных пульсаций в такой шкема, облагаются картинки входному входному фильтру элеграматных помех. С другой стороны, небольшие пульсации на выходе позволяют использовать выходной конденсатор с меньшим номиналом и меньшим значением напряжения пробоя. Это упрощает создание блока питания с низким профилем, удешевляет внедрение и обеспечивает более высокую надежность.

Реализация ККМ на UCC28070

UCC28070 — одна из микросхем линейки Texas Instruments, позволяющая реализовать коррекцию коэффициента мощности методом чередования фаз в режиме постоянного тока. Помимо UCC28070 аналогичным функционалом обладают UCC28060, UCC28061 и UCC28063, но они рассчитаны на меньшую мощность и предназначены для реализации ККМ в режиме граничной проводимости. Для реализации режима ККМ с чередованием фаз в UCC28070 используются два широтно-импульсных модулятора (ШИМ), работающих со сдвигом фазы, равным 180°. Как уже отмечалось, этот режим способствует уменьшению входных и выходных пульсаций тока и снижает требования к фильтру электромагнитных помех, а также способствует снижению стоимости за счет применения выходного высоковольтного электролитического конденсатора меньшей емкости и с более низким напряжением пробоя.

Среди технических особенностей, реализованных в UCC28070, необходимо отметить размытие спектра, синхронизацию тактового генератора, контроль скорости нарастания выходного напряжения. Все эти и некоторые другие свойства UCC28070, наряду с реализацией топологии с чередованием фаз, позволяют добиться повышенных значений таких параметров, как КМ, коэффициент гармоник, скорость реакции на переходные процессы. Применение UCC28070 позволяет получить коэффициент мощности более 0,9, а также обеспечить повышенный КПД во всем диапазоне нагрузок.

На рисунке 3 показана типовая схема применения UCC28070.

Инжир. 3. Пример использования UCC28070

Инжир. 3. Пример использования UCC28070

Как пример регистрации корректора пачита с чередованием фаз на основе UCC28070, можно бесплатно получить типовой дизайн PMP4311 (рисунок 4). Реализация предложенной схемы позволяет получить КМ более 0,98 при нагрузке до 5 кВт и входном напряжении в диапазоне 180…264 В [1]. При этом КПД решения – не ниже 95%.

Инжир. 4. Корректор ковефицы части PMP4311

Инжир. 4. Корректор ковефицы части PMP4311

Помимо UCC28070, в предлагаемом решении используется обратноходовой преобразователь на базе драйверов силовых транзисторов UCC28061 и UCC27322.

Драйверы затвора

UCC27322, используемый в конструкции типа PMP4311, является одним из представителей драйвера затвора FET/IGBT производства Texas Instruments. Основное назначение этого класса устройств — обеспечение необходимым током для заряда и разряда затворов мощных транзисторов. UCC27322 обеспечивает ток около 9 А для зарядки конденсатора Миллера при напряжении питания до 15 В, для чего в драйвере используется технология TrueDrive. На рис. 5 представлена ​​линейка драйверов затвора производства Texas Instruments.

Инжир. 5. Серия драйверов производителя TI

Инжир. 5. Серия драйверов производителя TI

Широкий ассортимент драйверов затворов позволяет выбрать подходящую модель для управления различными типами транзисторов (MOSFET, IGBT), изготовленных по разным технологиям (Si, SiC, GaN). Например, для управления силовыми полевыми GaN-транзисторами рекомендуется использование драйверов LM5113 и UCC27611, обеспечивающих защиту от перенапряжения на затворе более 5 В.

Ниже в качестве примера драйвера FET и IGBT кратко рассмотрим линейку UCC2753x (рисунок 6).

Инжир. 6. Функциональная блок-схема UCC2753X

Инжир. 6. Функциональная блок-схема UCC2753X

Среди особенностей линейки UCC2753x можно выделить следующие:

  • малое время задержки – 17 нс;
  • широкий диапазон рабочих напряжений 10…35 В дает возможность использовать драйвер с широким спектром мощных транзисторов, как для Si MOSFET, так и для IGBT и SiC FET;
  • наличие отдельного выхода (OUTH, OUTL) позволяет осуществлять независимое регулирование скорости изменения тока заряда и разряда затвора;
  • блокировка питания при производственном планировании питания.

Кратко о цифровом менеджменте

Такую функциональность, как и в случае аналоговой схемы реализации ИИСТ, можно получить, используя цифровое управление. В таком источнике тока в качестве контроллера инвертора используется микроконтроллер и ККМ. Система построена с использованием цифровых алгоритмов управления, выполняемых микроконтроллером, и программируемого ШИМ для управления силовым каскадом.

Типовая схема цифрового источника питания включает микроконтроллер (МК), ШИМ, АЦП, силовой каскад (рисунок 7).

Инжир. 7. Упрощенная схема цифрового преобразователя

Инжир. 7. Упрощенная схема цифрового преобразователя

Для реализации цифрового источника питания важны следующие свойства:

  • АЦП должен иметь достаточную скорость для управления контурами обратной связи. Кроме того, необходимо обеспечить его тесное взаимодействие с микроконтроллером и ШИМ для быстродействующей системы;
  • сэм МК должен специализироваться на профессиональной продуктивной деятельности для вычленения невечальных функций управления при смотретном чичении данных с АЦП и управления ШИМ;
  • ШИМ должен владеть профессиональным флекционным управлением для производительного комплекта топологии и еконфигурировать эффективность управления силовым каскадом;
  • необходимо иметь встроенный в МК компаратор для прецизионной регулировки выходов ШИМ и управления силовым каскадом.

Все вышеперечисленные требования легко реализуются с помощью микроконтроллеров TI семейства С2000. Интегрированные АЦП этого семейства могут работать на частоте до 4,6 Мвыб/с, при этом обеспечивается герметичная связь между АЦП и ШИМ. Сам ШИМ позволяет обеспечить точность порядка 150 пс. Микросхема имеет встроенный компаратор, позволяющий реализовать режим управления пиковым током. Само ядро ​​микроконтроллера содержит ряд аппаратных ускорителей, позволяющих легко реализовать математические функции, необходимые для реализации цифрового источника питания. Общий пример реализации цифрового преобразователя на базе С2000 показан на рисунке 8.

Инжир. 8. Пример использования C2000 в цифровом преобразователе переменного/постоянного напряжения

Инжир. 8. Пример использования C2000 в цифровом преобразователе переменного/постоянного напряжения

Для простоты реализации цифрового преобразователя напряжения компания TI предлагает набор готовых библиотек и средств отладки для проверки их работоспособности. Для быстрого старта при разработке цифрового источника питания сварочных аппаратов на базе контроллера реального времени С2000 следует обратить внимание на демонстрационные комплекты ТМДШВБЛПФККИТ, ТМДШВПФСКИТ, ТМДШВПСФБКИТ и ТМДШВРЕСЛЛЦКИТ (рисунок 9) [3, 4].

Инжир. 9. Демонстрационный набор TMDSHVRESLLCKIT

Инжир. 9. Демонстрационный набор
ТМДШВРЕСЛЛКИТ

ТМДШВБЛПФКИТ и ТМДШВПФКИТ показывают возможности реализации цифрового ККМ с чередованием фаз на базе микроконтроллеров ТМС320Ф28035 и ТМС320Ф28027 при работе от сети переменного тока с входным напряжением в диапазоне 85…265 В и выходным напряжением 390 В. Основным отличием представленных наборов, кроме различных микроконтроллеров, поставляемых по умолчанию, является реализация в ТМДШВБЛПФСКИТ ККМ без входного выпрямительного моста. Оба комплекта можно использовать вместе с ТМДШВПСФБКИТ и ТМДШВРЕСЛЛСКИТ для реализации полностью цифрового преобразователя переменного тока в постоянный.

ТМДШВПСФБКИТ и ТМДШВРЕСЛЛСКИТ демонстрируют возможности реализации высоковольтного DC/DC преобразователя с синхронным выпрямителем на базе микроконтроллера TMS320F28027. С помощью ТМДШВРЕСЛЛСКИТ можно легко проверить возможности реализации резонансного DC/DC преобразователя и поэкспериментировать с различными способами управления. Входящая в комплект плата управления (controlCard) с TMS320F28027 при необходимости может быть заменена на аналогичную с другим микроконтроллером из семейства С2000. С помощью ТМДШВПСФБКИТ также легко проверить возможности реализации цифрового мостового преобразователя постоянного тока.

Для простоты разработки все инструменты отладки Texas Instruments поддерживаются обширной документацией, подробными примерами типовых решений и большим набором открытых исходных кодов, которые можно найти в controlSUITE, что значительно облегчает обучение разработчиков. Для удобства отладки и экспериментов все комплекты имеют интерфейс USB JTAG. Модули программирования могут быть реализованы с использованием графических элементов среды разработки.

  

Заключение

Компания Texas Instruments предлагает современные решения по разработке передовых инверторных источников питания для сварочных аппаратов. Инверторные источники питания позволяют создавать промышленные инструменты для реализации различных способов сварки при производстве сложных и ответственных металлоконструкций из различных материалов, а демонстрационные комплекты TI позволяют быстро приступить к собственным разработкам. Надежные, высокотехнологичные компоненты TI позволяют создавать передовые источники питания для сварочных аппаратов на базе как аналоговых, так и цифровых решений. Существующие компоненты Texas Instruments позволяют реализовать различные функции AC/DC преобразователей – от управления затворами силовых транзисторов до реализации отдельных блоков: ККМ, инвертора, систем управления.

  

Литература

  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.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_Piccolo_NE_05_15_opt

Скоростные драйверы MOSFET

UCC27321/2 – быстродействующие драйверы, обеспечивающие пиковый ток до 9 А. Эти драйверы предназначены для управления мощными МОП-транзисторами, требующими больших токов для подзарядки конденсатора Миллера при быстром переключении. Они служат интерфейсом между микроконтроллерами с низким энергопотреблением и мощными МОП-транзисторами. При нагрузке CL = 10 нФ драйверы обеспечивают фронты длительностью 20 нс, при этом время задержки управляющего сигнала составляет 25 нс для спадающего фронта и 35 нс для нарастающего. Использование драйверов позволяет уменьшить площадь платы управления за счет упрощения конструкции и использования одной микросхемы вместо нескольких дискретных компонентов. UCC27321/2 реализует два типа логики управления: с инверсией (UCC27321) и без инверсии (UCC273212) управляющего сигнала.

Рабочий разработ напражений водителей – 4…15 В. Для специального запуска управления при лизких внезжих производственных процессах в применении ихбидного паскад (TrueDrive), угодного парального включения MOSFET и биполярного тристистора. Такая архитектура позволяет использовать драйвер в большинстве стандартных промышленных приложений, требующих тока затвора 6, 9 и 12 А. Встроенный в драйвер паразитный диод MOSFET обеспечивает малый импеданс всплесков напряжения и позволяет во многих случаях отказаться от внешнего ограничительного диода Шоттки.

Для гибкости управления драйвером в микросхеме предусмотрен дополнительный выход (ENBL). По умолчанию он подключен к напряжению питания и может не подключаться в стандартном приложении.

Драйвера доступны в нескольких корпусах — SOIC-8, PDIP-8, MSOP-8 PowerPAD. Корпус PowerPad имеет значительно более низкую термостойкость, что позволяет использовать драйвер при высоких температурах и повышает надежность в долгосрочной перспективе.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое стало результатом долгой и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown присоединился к TI, а также к компаниям Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЕЛ получила доступ к поставкам всей номенклатуры продукции производства компании TI…читать далее

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector