Застосування високовольтних потужних напівпровідників дозволило створювати компактні продуктивні зварювальні інвертори. Останнім словом в цій області після MOSFET інверторів стали зварювальні апарати на IGBT транзисторах.

польові напівпровідники
Використовувані в інверторах напівпровідники по MOSFET технології - це польові силові транзистори з ізольованим затвором. Управління полупроводником здійснюється напругою, на відміну від біполярних транзисторів, керованих струмом. Канал ключа має високу провідність 1 мОм. У закритому вигляді у них величезна вхідний опір.

Спочатку польові напівпровідники використовувалися і до сих пір застосовуються як ключі. У схемах імпульсних джерел живлення застосовуються польовики з індукованим затвором. У такому виконанні при нульовій напрузі на затвор-витік канал закритий. Для відкриття ключа потрібно подати потенціал певної полярності. Для управління ключем не потрібно силових джерел. Дані напівпровідники часто використовуються в джерелах живлення і инверторах.

біполярний прилад
IGBT - це біполярний транзистор з ізольованим затвором, застосовуваний в инвертор. Фактично він складається з двох транзисторів на одній підкладці. Біполярний прилад утворює силовий канал, а польовий є каналом управління.

З'єднання напівпровідників двох видів дозволяє поєднати в одному пристрої переваги польових і біполярних приладів. Комбінований прилад може, як біполярний, працювати з високими потенціалами, провідність каналу обернено пропорційна току, а не його квадрату, як в польовому транзисторі. При цьому IGBT транзистор має економічне управління польового приладу. Силові електроди називаються, як в біполярному, а керуючий отримав назву затвора, як в МОП приладі.

IGBT транзистори для зварювальних інверторів і силових приводів, де доводиться працювати при високій напрузі, стали використовувати, як тільки налагодили технологію їх виробництва. Вони скоротили габарити, збільшили продуктивність і потужність інверторів. Іноді вони замінюють навіть тиристори.
У IGBT инвертор для забезпечення роботи потужних перемикачів застосовуються драйвери - мікросхеми, що підсилюють сигнал, що управляє і прискорюють швидку зарядку затвора.

Деякі моделі IGBT транзисторів працюють з напругою від 100 В до 10 кВ і струмами від 20 до 1200 А. Тому їх більше застосовують в силових електроприводах, зварювальних апаратах. Польові транзистори більше застосовують в імпульсних джерелах і однофазних зварювальних інверторах. При струмових параметрах 400-500 В і 30-40 А вони мають кращі робочі характеристики. Але так як IGBT прилади можуть застосовуватися в більш важких умовах, їх все частіше застосовують в зварювальних інверторах.

Застосування в зварюванні
Простий зварювальний інвертор представляє собою імпульсний джерело живлення. В однофазному інверторному джерелі живлення змінний струм напругою 220 В і частотою 50 або 60 Гц випрямляється за допомогою потужних діодів, схема включення бруківка.

Потім інвертор перетворює постійну напругу в змінну, але вже високої частоти (від 30 кГц до 120 кГц). Проходячи через понижуючий високочастотний трансформатор (перетворювач), напруга знижується до декількох десятків вольт. Потім цей струм перетвориться назад в постійний.
Всі перетворення необхідні для зменшення габаритів зварювального апарату. Традиційна схема зварювального інвертора виходила надійної, але мала дуже великі габарити і вага. Крім цього, характеристики зварювального струму з традиційним джерелом харчування були значно гірше, ніж у інвертора.

Передача електроенергії на високій частоті дозволяє використовувати малогабаритні трансформатори. Для отримання високої частоти постійний струм перетвориться за допомогою високовольтних, потужних силових транзисторів в змінний частотою 50-80 кГц.
Для роботи потужних транзисторів напруга 220 В випрямляється, проходячи через бруківку схему і фільтр з конденсаторів, який зменшує пульсації. На керуючий електрод напівпровідника подається змінний сигнал з генератора прямокутних імпульсів, який відкриває / закриває електронні ключі. Виходи силових транзисторів підключаються до первинної обмотці понижувального трансформатора. Завдяки тому, що вони працюють на великий частоті, їх габарити зменшуються в кілька разів.

Силовий інверторний блок
Змінна напруга 220 В - це деякий усереднене значення, яке показує, що воно має таку ж енергію, як і постійний струм в 220 В. Фактично амплітуда дорівнює 310 В. Через це в фільтрах використовуються ємності на 400 В.
Мостова випрямна збірка монтується на радіатор. Потрібно охолодження діодів, оскільки через них протікають великі струми. Для захисту діодів від перегріву на радіаторі є запобіжник, при досягненні критичної температури він відключає міст від мережі. 

В якості фільтра використовуються електролітичні конденсатори, ємністю від 470 мкФ і робочою напругою 400 В. Після фільтра напруга надходить на інвертор. Під час перемикання ключів відбуваються кидки імпульсного струму викликають високочастотні перешкоди. Щоб вони не проникали в мережу і не псували її якість, мережа захищають фільтром електромагнітної сумісності. Він являє собою набір конденсаторів і дроселя.
Сам інвертор збирається по мостовій схемі. В якості ключових елементів застосовуються IGBT транзистори на напруги від 600 В і струми відповідні даному инвертору. Вони теж за допомогою спеціальної термопасти монтуються на радіатори. Під час перемикань цих транзисторів виникають кидки напруги. Щоб їх погасити застосовуються RC фільтри.

Отриманий на виході електронних ключів змінний струм надходить на первинну обмотку високочастотного понижуючого трансформатора. На виході вторинної обмотки виходить змінний струм напругою 50-60 В. Під навантаженням, коли йде зварювання, він може видавати струм до декількох сотень ампер. Вторинна обмотка зазвичай виконується стрічковим проводом для зменшення габаритів. На виході трансформатора варто ще один потужний діодний міст. З нього вже знімається необхідний зварювальний струм. Тут використовуються швидкодіючі силові діоди, інші використовувати не можна, тому що вони сильно гріються і виходять з ладу. Для захисту від імпульсних кидків напруги використовуються додаткові RC ланцюга.

м'який пуск
Для живлення блоку управління інвертора застосовується стабілізатор на мікросхемі з радіатором. Напруга живлення надходить з головного випрямляча через резистивний дільник.
При включенні зварювального інвертора конденсатори починають заряджатися. Токи досягають таких великих величин, що можуть спалити діоди. Щоб цього не сталося, використовується схема обмеження заряду. У момент пуску струм проходить через потужний резистор, який обмежує пусковий струм. Після зарядки конденсаторів резистор за допомогою реле відключається, шунтируется.

Блок управління і драйвер
Управління інвертором здійснює мікросхема широтно-імпульсного модулятора. Вона подає високочастотний сигнал на керуючий електрод біполярного транзистора з ізольованим затвором. Для захисту силових транзисторів від перевантажень додатково встановлюються стабілітрони між затвором і емітером.
Для контролю напруги мережі і вихідного струму використовується операційний підсилювач, на ньому відбувається підсумовування значень контрольованих параметрів. При перевищенні чи зниженні від допустимих значень спрацьовує компаратор, який відключає апарат.

Для ручного регулювання зварювального струму передбачений змінний резистор, регулювальна ручка якого виводиться на панель управління.
Зварювальне обладнання на IGBT транзисторах має найкращі характеристики по надійності. У порівнянні з польовими ключами біполярні транзистори з ізольованим затвором мають перевагу більше 1000 В і 200 А. При використанні в побутових приладах і зварювальних інверторах для домашнього користування перше місце до недавнього часу залишалося за зварювальним устаткуванням з MOSFET напівпровідниками. Ця технологія давно використовується і добре відпрацьована. Але у неї немає перспектив зростання, на відміну від обладнання на IGBT транзисторах. Нові моделі вже нічим не поступаються пристроїв з польовими приладами і на малих напругах. Тільки за ціною першість залишається за апаратами з польовими транзисторами з індукованим затвором.