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1、2001年9月JOURNALOFSHANGHAIUNIVERSITYOFENGINEERINGSCIENCESep・2001一——小型全固态高频感应式焊接机的设计钱亦平朱昶杨进（上槪工程技术大学电了电气工程学院上槪200065）摘要介绍的高频感应式焊接机功率为2kW,工作频率超过1.2MHz。强电部分和弱电部分那吸取和应用了近两年国内外最先进的理论、技术与器件（ispLSI,PWM,“神经网络”电路以及静电拥合技术等），主机的体积仅为380mmX220mmX140mm,重量不足3kg。关键词焊机高频电源感应加热神经网络电路中图分类号TG43文献标识码A0引言近年来，国内外
2、高频感应式焊接机的设计已经全部使用IGBT或POWERMOS管,最高工作频率达到400kHz,功率100kW[b2]0奇频感应焊接利用涡流加热金属，工作频率越高集肤深度也越浅,工作频率达到1MHz时，涡流的加热深度仅100pm左右，主要用于小工件的焊接。IGBT的开关频率很难超过100kHz,功率MOS管的开关频率虽然高，而每个管子的电流却很有限，用并联多个管子的方法增加输出电流也不容易，工作频率越高越如此。为提高高频输出功率，本设计把功率合成和多管并联两种技术结合使用，收到比较好的效果。负载或电源⑶的变动都会使电路失谐，耿动频率偏离了槽路的固有谐振频率，电流电压的相位差
3、令开关器件承受的压力骤增，输岀功率和电路效率都会下降，严重时常会损坏开关器件。焊接铁磁性物质时，槽路频率变化很大，談动频率应该能迅速的跟上这些不规则变化。锁相技术⑴是目前最常用的方法。本设计使用“单层神经网络”电路及时跟踪槽路频率的变化，成功地解决了电路的谐振问题。这一种方法至今尚未见有报导。文献[1]介绍的调整高频输出功率的方法是利用晶闸管控制电源电压。实际上，控制-个周期内输出的离频周波数同样能控制输出的功率（PWM）,因为控制的是驱动信号，电路就能设计得十分紧凑°1电路设计1.1电路框图收WHW：2001-02-19图1为电路的原理性框图，结合引言中的说明，整个电路
4、的作用十分清金，不再赘述。图2是整机的控制框图，离频开关放大器（SPA）的输出功率受诸多因索影响，例如负载特性、电压纹波（Vrp」、功率控制（PWM）及工作控制（OPR）等。图2中虚框内的电路是由ispLSI构成的“神经网络”电路，其输出的信号即时调节压控振荡器（VCO）的输出频率，使dV/d/=O,保证了电路在谐振状态下工作。图1电略腿图1.2开关型功率放大器图3是H型桥式电路的示意图，开关管选用功率MOS管。功率MOS器件的过渡时间约为75〜100ns,还必须留岀100ns的时间间隔避开同侧直通°开关工作频率为1MHz时，工作时间剩下300ns左右。随工作频率升高，周
5、期缩短，开关器件的使用效率也随着下降。图2频率和功率控制框图图3H型桥式电路功率放大电路图中的8个管子被单独驱动，小阻值电阻口】〜厂饥均衡各个管子的电流。经过配对的功率管稳态电流分布在85%〜115%之间。为了增加输出电流常并联多个管子，但是大功率场效应管并联多了，漏极源极之间的电容也越并越大,先导通的管子必须承受并联电容上电荷的冲击;并联造成密勒效应愈加严重，几乎无法均衡管间的动态电流。图3中的8个管子被分成两组，每4个管子组成一个H型电路。铁芯变压器有两个作用：首先是把两个H型电路从直流上隔开，每个管子仅承受自身结电容的影响；然后，高频交流磁通在变压器里叠加，变压器次
6、级感应到的磁通是叠加的结果。从结构上讲,次级只有一匝，采用强迫水冷。1.3谐振槽路的设计负载连接成串联谐振电路。按照使用要求，电感完全由用户决定，一般是用外径2mm,内径1.2mm的毛细管环绕制而成。用串联谐振法可以测凰谐振回路,初步测量结果为:谐振频率九ciMHz;C0M）.44mF；厂（）~0.01Go可推出品质因索Q值在20〜40之间。电容的损耗相对较小，几乎可以忽略（主要参数见表1）0槽路的损耗来自两个方面，主要钱亦平等:小型全固态高頻感应式悍接机的设计•169•是感应线圈的辐射,其次是线圈的电阻。前者感应到金属物体上会产生涡流，后者产生大最的热就被冷却水带出。机
7、器的大部分发热器件均是通水冷却的，余下部分的温升很小。故而焊接机的输出功率和效率能通过测凰冷却水的温差、流最和綸入功率估算出来。整机的输出效率大约为83%,其中毛细竹的热损耗最大，单独测駐时/yF/V电流/A视在功率/kVAM大滔升水压20.446(X)500300103槽路电容谣主要参数损耗占8%以上，所以髙频逆变器的损耗不大。1.4电路的匹配H型桥式电路的谐振负载计算公式为(4kU/n)22P式中：U为直流电源电压;P为输出功率泌为开关系数。当U=311V^=1,P=2kW；R=39Q时，槽路的谐振阻抗远远低于电源的额定阻
