Uszkadzanie tranzystorów IGBT w spawarce inwerterowej – Infineon, Fuji, Mitsubishi, przyczyny awarii

Pytanie

Uszkadzanie tranzystorow igbt w spawarce inertorowej

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najczęstsze powody „palenia się” tranzystorów IGBT w spawarce inwerterowej to: przeciążenia prądowe, przepięcia (zwłaszcza komutacyjne), przegrzanie złącza, zła charakterystyka sygnału sterującego (bramka), niedziałające tłumiki (snubbery) i niewłaściwe chłodzenie.
• Klucz do trwałości IGBT: prawidłowe sterowanie bramką (odpowiednie napięcia, czasy martwe), skuteczne tłumienie przepięć, poprawne odprowadzanie ciepła, wysokiej jakości komponenty oraz regularna konserwacja.

Szczegółowa analiza problemu

1. Teoria i zjawiska krytyczne
   • Nadmierny prąd: Ic lub Icm > Ic(max) ⇒ natychmiastowe przegrzanie chipu.
   • Przepięcia L·di/dt: przy gwałtownym wyłączaniu indukcyjnego obciążenia transformatora spawalniczego, napięcie VCE może chwilowo przekroczyć 1 kV. Snubber RC/RCD musi ograniczyć te szpilki do <80 % VCES_max.
   • Straty przełączania (Eon + Eoff) rosną quasi-liniowo z częstotliwością i kwadratowo z prądem. Zbyt wysokie fSW lub zwilgotniałe kondensatory DC-link => wzrost ESR => dodatkowe straty.
   • Zjawisko shoot-through w półmostku/pełnym mostku: źle ustawiony dead-time → chwilowe zwarcie szyny DC przez dwa IGBT w tej samej gałęzi.
   • Parazytarne indukcyjności obwodu bramki (Lgate) + zbyt mały rezystor bramkowy → oscylacje, podbicie VGE > ±20 V → przebicie tlenku.

2. Układ sterowania bramką
   • VGE(on) typ. +15 V (±10 %), VGE(off) 0 V lub –5…–8 V (podnosi odporność na dV/dt-turn-on).
   • Driver musi mieć UVLO ≥ 13 V, prąd źródłowy/sink-≥2…5 A.
   • Rezystor bramkowy dobrany tak, by dv/dt < 5 kV/µs, ale czas przejścia przez obszar aktywny < 1 µs.

3. Chłodzenie i mechanika
   • θJC + θCH + θHA musi gwarantować ΔT < 80 K przy prądzie szczytowym; to oznacza, że radiator nie może przekraczać 80 °C, gdy Tj(max)=150 °C.
   • Pasta termoprzewodząca o przewodności >3 W/m·K, wymiana co 3–5 lat.
   • Minimalny docisk 0,6–0,8 MPa (datasheet).

4. Obwody ochronne
   • Active Clamp lub RCD-snubber dostrojony tak, aby przy Ipk(fast) = 200 A napięcie VCE_peak < 0,8 × VCES.
   • Varystor lub TVS > 1,2 × VDC_link między szynami DC.
   • Bocznik prądowy + sprzężenie zwrotne w 1–2 µs musi odcinać PWM, gdy Ic > 1,5 × I_nom.

5. Jakość podzespołów
   • Oryginalne moduły (Infineon, Mitsubishi, Fuji) – zabezpieczenie przed podróbkami (kod, logo laserowe, struktura kanapkowa).
   • Kondensatory DC-link – niskie ESR, klasa ≥ 105 °C; utrata pojemności >20 % zwiększa pulsację prądu.

Aktualne informacje i trendy

• Nowe spawarki klasy premium przechodzą z IGBT na SiC-MOSFET (dużo niższe straty commutation, odporność na 1500 V/us).
• Stosuje się cyfrowe sterowniki (DSP/FPGA) z pomiarem Tj szacowanym z modelu Rth-Cauer → predykcyjna ochrona termiczna.
• Condition-Monitoring: czujnik ΔVCE(on) jako wskaźnik degradacji przewodów bondujących.
• Rynek oferuje gotowe „inteligentne” moduły IHM (integrated gate driver + IGBT/SiC) z aktywnym clampem i UVLO.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Snubber RCD przykładowo: Csnub = Ipk·tr/Vmax, Rsnub ≈ √(Lstray/Csnub).
• Dead-time: \( t_{DT} \ge 2 \cdot (Q_{rr}/I_{load}) + t_{d(on/off)} \) – uwzględnia odwracanie diody antyrównoległej.
• Porównanie IGBT vs. MOSFET: dla prądów >100 A i napięć >450 V IGBT pozostaje ekonomiczny, ale wymaga staranniejszego sterowania.

Aspekty etyczne i prawne

• Naprawa we własnym zakresie bez odłączonej sieci stanowi zagrożenie śmiertelne (400 VDC na kondensatorach).
• W Polsce serwis urządzeń spawalniczych podlega Rozporządzeniu Ministra Gospodarki – wymóg dokumentacji DTR i częstych prób bezpieczeństwa elektrycznego.
• Odpady elektroniczne (uszkodzone IGBT, radiatory z pastą silikonową) muszą być przekazywane do wyspecjalizowanych firm (Dyrektywa WEEE).

Praktyczne wskazówki

1. Diagnostyka krok-po-kroku
   • Multimetr/diode-test: sprawdź zwarcie C-E; zwarcie G-E ⇨ przebita bramka.
   • Oscyloskop + sonda różnicowa: obejrzyj VGE, VCE przy starcie przez lampę szeregową 150 W.
   • Termowizja: hot-spoty >10 °C różnicy między parą IGBT w tej samej gałęzi ⇨ nierówny prąd.
2. Po wymianie elementów:
   • Zawsze wymieniaj komplet parowany (oba IGBT w półmostku), rezystory bramkowe i diody zwrotne.
   • Pierwsze uruchomienie z autotransformatorem 0-100 V AC, krok 10 V / 30 s.
3. Konserwacja co 6 mies.
   • Odkurzanie sprężonym, odolejonym powietrzem; kontrola wentylatora (>80 % nominalnej rpm).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Jeżeli uszkodzenia pojawiają się losowo po kilku minutach pracy, prawdopodobna jest degradacja kondensatorów DC-link lub mikropęknięcia w PCB (zjawisko termicznego „pumpingu”).
• Pojedynczy pomiar „na zimno” nie wykaże subtelnej degradacji struktury IGBT; potrzebny test dynamiczny ΔVCE(on).

Sugestie dalszych badań

• Analiza układu za pomocą symulatora SPICE z ekstrakcją indukcyjności rozproszonej (np. FastHenry).
• Implementacja cyfrowej kontroli dead-time adaptacyjnego (ang. ADC-based self-tuning).
• Porównanie wydajności SiC-MOSFET vs. IGBT w topologii półmostek 40 kHz (praca dyplomowa / artykuł IEEE IAS).

Krótkie podsumowanie

Tranzystory IGBT w spawarkach inwerterowych ulegają awariom głównie z powodu przeciążenia prądowego, przepięć komutacyjnych, przegrzania i błędów sterowania bramką. Skuteczne rozwiązanie obejmuje:

1. Poprawę sterownika (właściwe VGE, czasy martwe, UVLO).
2. Sprawny snubber + kondensatory DC-link o niskim ESR.
3. Odpowiednie chłodzenie i kontrolę temperatury.
4. Stosowanie markowych komponentów oraz procedury konserwacji.
   Wdrożenie powyższych kroków znacząco ograniczy ryzyko ponownego uszkodzenia, a jednocześnie przygotuje projekt do przejścia na nowocześniejsze technologie (SiC, inteligentne moduły) w przyszłości.