Электролитический источник питания на IGBT

Когда слышишь про электролитический источник питания на IGBT, сразу представляешь что-то вроде гибрида из старого доброго выпрямителя и современного инвертора. Но на деле тут часто путаница — многие думают, что IGBT тут просто для ?модности?, а по факту это ключевой элемент, который либо вытягивает всю схему, либо гробит её при неправильном расчёте. Сам сталкивался, когда в ООО Хэбэй Тонгке по производству электрооборудования собирали прототип для гальваники: поначалу грешили на электролиты, а оказалось — проблема в драйверах IGBT, которые не успевали гасить обратные токи.

Почему IGBT, а не MOSFET или тиристоры?

В импульсных схемах для электролиза часто ставят MOSFET — быстро, дёшево, но для токов выше 200А уже начинаются проблемы с тепловым разгоном. IGBT здесь выигрывает за счёт высокого напряжения насыщения, особенно в цепях с индуктивной нагрузкой, какой является электролизёр. Помню, на тестах в Тонгке сравнивали два варианта — на MOSFET и на IGBT. Первый выдавал КПД около 85%, второй — стабильно 92–94%, но только если правильно подобраны частота переключения и охлаждение.

Кстати, про охлаждение — отдельная история. Если IGBT перегревается, то начинает ?плыть? пороговое напряжение, и ключ уходит в линейный режим. В одном из заказов для металлопокрытия пришлось переделывать теплоотвод три раза: сначала алюминиевый ребристый радиатор, потом медная основа с принудительным обдувом, в итоге остановились на жидкостном охлаждении с антифризом. Без этого IGBT выжигало за две недели работы.

Тиристоры, конечно, надёжны, но для точного поддержания тока в электролитической ванне не годятся — слишком инерционны. IGBT позволяет делать ШИМ с частотой до 20 кГц, что даёт плавную регулировку даже при скачках сопротивления электролита. Хотя если переборщить с частотой — растут динамические потери, и КПД проседает. Приходится искать компромисс, обычно где-то в районе 10–15 кГц для мощностей 50–100 кВт.

Схемотехника и подводные камни

Основная схема — это, как правило, мостовой инвертор с выходным дросселем. Но тут есть нюанс: если электролит химически агрессивен, то пульсации тока могут ускорить деградацию электродов. Однажды на производстве алюминиевых конденсаторов столкнулись с тем, что анодный слой разрушался быстрее расчётного срока. Оказалось, виноваты не столько гармоники, сколько обратные выбросы напряжения с IGBT, которые не успевал гасить снаббер.

Снабберы — вообще больная тема. RC-цепочки часто подбирают ?на глаз?, а потом удивляются, почему IGBT выходят из строя при коммутации на холостом ходу. Мы в Тонгке для серии TPS-IGBT-100 стали ставить варисторы параллельно ключам, плюс диоды обратного хода с мягкой характеристикой. Это добавило стоимости, но снизило процент брака с 12% до 1,5%.

Ещё момент — драйверы. Дешёвые драйверы на основе IR2110 иногда не справляются с ёмкостью Миллера, особенно если IGBT работают в режиме мягкой коммутации. Приходится либо ставить дополнительные буферные каскады, либо переходить на специализированные драйверы типа 2ED300C17. Хотя последние дороже, но зато экономят на замене IGBT после пробоя.

Пример с реальной доработкой

Был заказ от гальванического цеха — нужно было модернизировать старый выпрямитель ВАКР-1000 под IGBT-управление. Исходно стояли тиристоры, но клиент жаловался на ?ступенчатость? тока при работе с никелевыми покрытиями. Мы заменили силовую часть на модули SEMiX453GB12E4s, добавили DSP-контроллер для ШИМ и датчик Холла для обратной связи по току.

Первые испытания показали, что ток стал плавным, но появился низкочастотный гул — около 100 Гц. Разобрались, что причина в несовершенстве алгоритма ШИМ: контроллер не успевал компенсировать пульсации выпрямленного напряжения. Переписали прошивку, ввели двухконтурное регулирование (по току и напряжению), шум ушёл.

Клиент в итоге был доволен, но признался, что первые две недели боялся включать установку на полную мощность — уж очень непривычно тихо работала. А ещё сэкономил на электролите — потому что разбрызгивание уменьшилось из-за отсутствия резких скачков тока.

Ошибки, которые лучше не повторять

Самая частая ошибка — экономия на системе мониторинга. IGBT чувствителен к перегрузкам по току, и если не поставить быстродействующую защиту (желательно за 2–3 мкс), модуль сгорает без возможности восстановления. У нас был случай, когда в импульсном источнике для электрохимической обработки поставили дешёвые токовые шунты с инерционностью 10 мс — потеряли три IGBT модуля за смену.

Вторая ошибка — игнорирование качества электролита. Если в растворе есть механические примеси или неравномерная концентрация, то сопротивление нагрузки меняется скачкообразно. IGBT-инвертор пытается это компенсировать, но если скачки слишком резкие, система защиты не успевает сработать. Как-то раз пришлось экранировать всю силовую часть от паров кислоты — они оседали на радиаторах и вызывали коррозию контактов.

И ещё — не стоит доверять ?типовым схемам? из интернета. Часто там не учитывается реальная индуктивность проводки внутри шкафа. Мы в ООО Хэбэй Тонгке по производству электрооборудования для каждого заказа делаем индивидуальный расчёт петли индуктивности, иначе выбросы напряжения при коммутации могут превысить 1200 В даже при рабочем напряжении 600 В.

Перспективы и что пробуем сейчас

Сейчас экспериментируем с SiC-диодами в комбинации с IGBT — пытаемся снизить потери на обратное восстановление. Для электролитических источников это особенно актуально, потому что длительные циклы работы (иногда по несколько суток без остановки) требуют максимального КПД. Предварительные тесты показывают прирост КПД на 1,5–2% по сравнению с обычными диодами.

Ещё тестируем систему прогнозирования состояния IGBT по тепловым циклам. Если научиться предсказывать деградацию силовых ключей до её критической фазы, можно избежать внезапных простоев на производстве. Пока что алгоритм работает с точностью около 80%, но для начала неплохо.

Из готовых решений на https://www.tongke.ru сейчас предлагаем серию IPB-IGBT-E с модульной конструкцией — там можно наращивать мощность до 500 кВт без замены системы управления. Кстати, в описании продукции не зря упоминаются высокочастотные импульсные источники — как раз для электролиза с IGBT это наиболее живучее сочетание.

В целом, если брать электролитический источник питания на IGBT — это не панацея, а инструмент, который требует глубокого понимания и физики процессов, и технологии производства. Но когда всё сходится — получается аппарат, который работает годами без серьёзных поломок. Главное — не гнаться за дешёвыми компонентами и не пропускать этапы тестирования под реальной нагрузкой.