Импульсная мощность управления

Вот ведь какая штука — все говорят про импульсную мощность управления, но половина инженеров путает пиковую нагрузку с динамическим диапазоном. На том же заводе в Юэцине я видел, как из-за этого транзисторы летели партиями.

Что на самом деле скрывается за термином

Когда в 2018 году мы начинали сотрудничать с ООО Юэцин Сутун Электрооборудование, их техдокументация пестрела расчётами по усреднённым показателям. Но в реальности импульсная мощность управления — это не просто цифра в даташите. Помню, как при тестировании ШИМ-контроллеров для сварочных инверторов обнаружили: при температуре выше 85°C длительность фронта импульса увеличивается на 20%, хотя по документам всё должно быть в норме.

Особенно критично это стало при работе с силовыми MOSFET от Infineon. Вроде бы берёшь стандартный драйвер IR2110, но если не учесть паразитные ёмкости затвора — вся система регулирования идёт вразнос. Пришлось переделывать три партии преобразователей для дуговых печей.

Кстати, именно тогда мы с инженерами Сутун разработали эмпирическое правило: закладывать запас по току управления минимум 35% от расчётного. Особенно для частотников на IGBT-модулях — там вообще отдельная история с обратным восстановлением диодов.

Типичные ошибки при проектировании

Самое смешное (и грустное), что многие до сих пор используют устаревшие методики расчёта. В прошлом месяце разбирали отказ частотного преобразователя на https://www.sutong.ru — оказалось, разработчики не учли индуктивность монтажа при коммутации 50 кГц.

Ещё один момент — зависимость от температуры p-n перехода. В документации на силовые ключи обычно дают параметры при 25°C, а в реальном устройстве они работают при 110-130°C. Разница в сопротивлении канала может достигать 40%, что катастрофически сказывается на форме управляющих импульсов.

Особенно обидно, когда видишь подобные ошибки в промышленном оборудовании. В том же Юэцине есть конкуренты, которые до сих пор ставят драйверы без термокомпенсации — и потом удивляются, почему ресурс преобразователей не превышает 5000 часов.

Практические решения от производственников

За шесть лет работы с Сутун Электрооборудование накопили целый арсенал приёмов. Например, для силовых преобразователей 380В используем гибридную схему: MOSFET для быстрых фронтов и IGBT для статики. Да, немного дороже, но зато нет проблем с выбросами напряжения.

Ещё один лайфхак — добавление RC-цепочки непосредственно на выводах затвора. Не в схеме драйвера, а именно у самого транзистора. Это даёт выигрыш 15-20% по длительности фронта при коммутации индуктивной нагрузки.

Кстати, именно такой подход позволил нам в прошлом году увеличить КПД сварочных инверторов до 94%. Хотя изначально заказчик требовал всего 90% — но мы то знали, что потенциал импульсной мощности управления раскрыт не полностью.

Реальные кейсы и провалы

Самое памятное — проект 2019 года для металлопрокатного стана. Казалось, всё просчитали идеально: и динамические потери, и тепловые режимы. Но на испытаниях при пиковой нагрузке сгорели сразу 12 силовых модулей. Причина — не учли индуктивность шин постоянного тока всего 15 нГн, но при токах 2000А это давало выбросы до 400В.

Тогда пришлось экстренно перепроектировать всю систему управления. Добавили активное ограничение напряжения, изменили топологию силовой части. Интересно, что после этого случая мы начали использовать осциллографы с полосой не менее 1 ГГц для диагностики — обычные 100 МГц просто не показывали реальную картину.

Сейчас вспоминаю с улыбкой, но тогда пришлось работать три недели практически без выходных. Зато теперь все наши разработки проходят обязательные испытания на anti-parallel диодах — больше таких косяков не повторяли.

Перспективы развития технологии

Сейчас активно экспериментируем с GaN-транзисторами. У них принципиально иная физика работы — нет проблемы обратного восстановления, но появляются новые вызовы с управлением. Например, при тех же 100 В/нс нужно контролировать паразитные индуктивности уже на уровне печатной платы.

В Сутун недавно приобрели оборудование для измерения динамических характеристик ключей в реальном времени. Это позволяет точнее подбирать параметры драйверов — особенно для многоуровневых преобразователей, где важен симметричный фронт импульсов.

Думаю, в ближайшие два года мы полностью перейдём на цифровые системы управления с адаптивными алгоритмами. Уже тестируем прототип на STM32, где импульсная мощность управления рассчитывается в реальном времени с учётом температуры и степени деградации компонентов.

Кстати, это направление мы развиваем именно в Юэцине — не зря же этот город называют электротехнической столицей Китая. Здесь сосредоточены не только производственные мощности, но и уникальные компетенции в области силовой электроники.