固态高频电源在焊管行业中的应用

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1、固态高频电源在焊管行业中的应用作者：三伊天星彭咏龙1前言   目前，我国设计与制造的高频焊管设备都是采用电子管振荡器的单回路高频设备，通过调节电子管阳极电压大小，达到调节高频输出功率的目的。电子管高频焊管设备不仅效率低，体积大，而且存在使用前需要预热，电子管使用寿命短等诸多缺点。   从二十世纪八十年代起，随着大功率半导体器件的发展和微电子技术、控制技术的提高，发达国家在研制固态高频电源方面取得了很大进展。目前作为高频电源功率开关器件主要有功率MOSFET和SIT，由于SIT存在高通态损耗（工作于非饱和区）、制造工艺复杂、成本高、价格昂贵、工作频

2、率限制在200kHz以下等缺陷，因此欧美国家采用的高频功率器件以MOSFET为主。随着MOSFET功率器件的模块化、大容量化、高压化，使功率MOSFET的容量和开关速度等性能提高很快，目前36A/1000V功率MOSFET的关断时间已小于75ns，而且由于MOSFET并联容易，因此采用功率MOSFET构成高频逆变器的固态高频电源在容量和频率两方面都得到很大提高，除在一些特殊应用领域（如高频介质加热等行业）外，固态高频电源完全能取代电子管高频电源，而成为新一代感应加热电源的代表。   大容量、高频化的固态高频电源主要应用领域是高频焊管行业，由于我国

3、高频焊管行业存在感应器开路、感应器与钢管短路等突变恶劣工况，同时高频焊管电源基本属于满负荷长期工作制，因此固态高频电源在焊管行业中的应用代表了固态高频电源设计与制造的最高水平。在焊管行业中的应用以美国色玛图公司生产的固态高频电源最具代表性，无论在电源功率、频率和配套性等方面都具有世界先进水平。中国河北保定三伊天星电气有限公司自行设计制造的固态高频焊管设备已在功率60~300KW、频率300~550KHz范围内取得了成熟的运行与设计经验。   本文以保定三伊天星电气有限公司研制的采用功率MOSFET作为逆变开关器件的固态高频焊管为基础，对电源的工作

4、原理及其在高频焊管行业中的应用进行的讨论，并与电子管高频焊管电源和国外固态高频焊管电源进行了比较。2固态高频电源的工作原理   固态高频电源采用常见的交—直—交变频结构。三相380V电源经开关柜中的降压变压器和主接触器后，送入电源柜中的整流器，整流器采用三相晶闸管全控整流桥，通过控制晶闸管导通延时角α，达到调节电源输出功率大小的目的，整流后的直流电压经滤波环节送入高频逆变器，由高频逆变器逆变产生单相高频电源送入谐振电路，经焊接变压器和感应器输出高频能量，完成钢管焊接。   高频逆变器可以有串联谐振型和并联谐振型两种，由于并联谐振型逆变器在高频电源

5、应用中有诸多困难，如需要大功率快恢复整流二极管等，因此使其在大容量高频电源中的应用受到限制。串联谐振型逆变器也称电压谐振型逆变器，要求逆变器输入平滑的直流电压（其纹波系数小于1%），这一点对焊管来说是非常重要的，因为平滑的直流电压最终将导致钢管焊缝内毛刺非常平整，通过挤压辊工艺调整，采用固态电源焊接的钢管内毛刺将很小。   大容量化电源将通过两个途径来实现：其一是功率MOSFET的并联构成逆变桥，目前高电压（≥1000V）的MOSFET最大电流容量只有36A，由于受到多管并联后器件均流和动态分布参数的影响，单逆变桥功率以设计50kW为宜，更大容量

6、的电源设备则应采取第二个扩容方法，即并联逆变桥方式实现。由于电压谐振型逆变器多采用匹配变压器付边串联来合成功率输出，因此对于高频逆变器并联来说，输入和输出均为软连接，一定程度上放宽了对逆变器一致性的要求，因此从理论上来说，并联桥数量不会受到限制，这样解决了固态高频的大容量化问题。采用这种方式合成功率的另一个目的是对并联后的高频逆变器实现了强制均流，在恒压源供电的情况下，最大程度上实现了高频逆变器的安全化。   图1是固态高频焊管设备的框图。图1固态高频焊管设备框图固态高频电源在焊管行业中的应用(续)3几个特殊问题的介绍   3.1逆变器工作状态的

7、适应范围   感应加热电源受负载的影响，槽路等效阻抗可能呈现容性、阻性和感应三种状态，即要求高频逆变器适合工作于容性、阻性和感性。由于功率MOSFET在制造中存在反并联寄生二极管，该管的反向恢复时间约为2μs，在工作频率为400kHz时，其反向恢复时间超过3/4个振荡周期。当常规的串联型逆变器工作在容性时，寄生二极管在容性角度时间内流过槽路电流，由于其反向恢复时间很长，在逆变器换向时上下桥臂出现短路，形成很大的环流，导致功率MOSFET损坏。这表明常规的串联型逆变器不能工作于容性状态，为了避免这种工作状态，一方面要求逆变控制的频率跟踪速度很快，达

8、到在动态过程中总是保持槽路呈现感性的目的，这是很困难的；另一方面为了避免动态过程中进入容性状态，要求正常工作时的感性角度很大（φ>30°