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固態(tài)高頻電源在焊管行業(yè)中的應(yīng)用 

作者：三伊天星 彭詠龍 

1 前言
    目前，我國設(shè)計與制造的高頻焊管設(shè)備都是采用電子管振蕩器的單回路高頻設(shè)備，通過調(diào)節(jié)電子管陽極電壓大小，達(dá)到調(diào)節(jié)高頻輸出功率的目的。電子管高頻焊管設(shè)備不僅效率低，體積大，而且存在使用前需要預(yù)熱，電子管使用壽命短等諸多缺點(diǎn)。

    從二十世紀(jì)八十年代起，隨著大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展和微電子技術(shù)、控制技術(shù)的提高，發(fā)達(dá)國家在研制固態(tài)高頻電源方面取得了很大進(jìn)展。目前作為高頻電源功率開關(guān)器件主要有功率MOSFET和SIT，由于SIT存在高通態(tài)損耗（工作于非飽和區(qū)）、制造工藝復(fù)雜、成本高、價格昂貴、工作頻率限制在200kHz以下等缺陷，因此歐美國家采用的高頻功率器件以MOSFET為主。隨著MOSFET功率器件的模塊化、大容量化、高壓化，使功率MOSFET的容量和開關(guān)速度等性能提高很快，目前36A/1000V功率MOSFET的關(guān)斷時間已小于75ns，而且由于MOSFET并聯(lián)容易，因此采用功率MOSFET構(gòu)成高頻逆變器的固態(tài)高頻電源在容量和頻率兩方面都得到很大提高，除在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域（如高頻介質(zhì)加熱等行業(yè)）外，固態(tài)高頻電源完全能取代電子管高頻電源，而成為新一代感應(yīng)加熱電源的代表。

    大容量、高頻化的固態(tài)高頻電源主要應(yīng)用領(lǐng)域是高頻焊管行業(yè)，由于我國高頻焊管行業(yè)存在感應(yīng)器開路、感應(yīng)器與鋼管短路等突變惡劣工況，同時高頻焊管電源基本屬于滿負(fù)荷長期工作制，因此固態(tài)高頻電源在焊管行業(yè)中的應(yīng)用代表了固態(tài)高頻電源設(shè)計與制造的最高水平。在焊管行業(yè)中的應(yīng)用以美國色瑪圖公司生產(chǎn)的固態(tài)高頻電源最具代表性，無論在電源功率、頻率和配套性等方面都具有世界先進(jìn)水平。中國河北保定三伊天星電氣有限公司自行設(shè)計制造的固態(tài)高頻焊管設(shè)備已在功率60~300KW、頻率300~550KHz范圍內(nèi)取得了成熟的運(yùn)行與設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。

    本文以保定三伊天星電氣有限公司研制的采用功率MOSFET作為逆變開關(guān)器件的固態(tài)高頻焊管為基礎(chǔ)，對電源的工作原理及其在高頻焊管行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行的討論，并與電子管高頻焊管電源和國外固態(tài)高頻焊管電源進(jìn)行了比較。

2 固態(tài)高頻電源的工作原理
    固態(tài)高頻電源采用常見的交—直—交變頻結(jié)構(gòu)。三相380V電源經(jīng)開關(guān)柜中的降壓變壓器和主接觸器后，送入電源柜中的整流器，整流器采用三相晶閘管全控整流橋，通過控制晶閘管導(dǎo)通延時角α，達(dá)到調(diào)節(jié)電源輸出功率大小的目的，整流后的直流電壓經(jīng)濾波環(huán)節(jié)送入高頻逆變器，由高頻逆變器逆變產(chǎn)生單相高頻電源送入諧振電路，經(jīng)焊接變壓器和感應(yīng)器輸出高頻能量，完成鋼管焊接。

    高頻逆變器可以有串聯(lián)諧振型和并聯(lián)諧振型兩種，由于并聯(lián)諧振型逆變器在高頻電源應(yīng)用中有諸多困難，如需要大功率快恢復(fù)整流二極管等，因此使其在大容量高頻電源中的應(yīng)用受到限制。串聯(lián)諧振型逆變器也稱電壓諧振型逆變器，要求逆變器輸入平滑的直流電壓（其紋波系數(shù)小于1%），這一點(diǎn)對焊管來說是非常重要的，因?yàn)槠交闹绷麟妷鹤罱K將導(dǎo)致鋼管焊縫內(nèi)毛刺非常平整，通過擠壓輥工藝調(diào)整，采用固態(tài)電源焊接的鋼管內(nèi)毛刺將很小。

    大容量化電源將通過兩個途徑來實(shí)現(xiàn)：其一是功率MOSFET的并聯(lián)構(gòu)成逆變橋，目前高電壓（≥1000V）的MOSFET最大電流容量只有36A，由于受到多管并聯(lián)后器件均流和動態(tài)分布參數(shù)的影響，單逆變橋功率以設(shè)計50kW為宜，更大容量的電源設(shè)備則應(yīng)采取第二個擴(kuò)容方法，即并聯(lián)逆變橋方式實(shí)現(xiàn)。由于電壓諧振型逆變器多采用匹配變壓器付邊串聯(lián)來合成功率輸出，因此對于高頻逆變器并聯(lián)來說，輸入和輸出均為軟連接，一定程度上放寬了對逆變器一致性的要求，因此從理論上來說，并聯(lián)橋數(shù)量不會受到限制，這樣解決了固態(tài)高頻的大容量化問題。采用這種方式合成功率的另一個目的是對并聯(lián)后的高頻逆變器實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制均流，在恒壓源供電的情況下，最大程度上實(shí)現(xiàn)了高頻逆變器的安全化。

    圖1是固態(tài)高頻焊管設(shè)備的框圖。 

圖1 固態(tài)高頻焊管設(shè)備框圖 

固態(tài)高頻電源在焊管行業(yè)中的應(yīng)用

3 幾個特殊問題的介紹
    3.1 逆變器工作狀態(tài)的適應(yīng)范圍
    感應(yīng)加熱電源受負(fù)載的影響，槽路等效阻抗可能呈現(xiàn)容性、阻性和感應(yīng)三種狀態(tài)，即要求高頻逆變器適合工作于容性、阻性和感性。由于功率MOSFET在制造中存在反并聯(lián)寄生二極管，該管的反向恢復(fù)時間約為2μs，在工作頻率為400kHz時，其反向恢復(fù)時間超過3/4個振蕩周期。當(dāng)常規(guī)的串聯(lián)型逆變器工作在容性時，寄生二極管在容性角度時間內(nèi)流過槽路電流，由于其反向恢復(fù)時間很長，在逆變器換向時上下橋臂出現(xiàn)短路，形成很大的環(huán)流，導(dǎo)致功率MOSFET損壞。這表明常規(guī)的串聯(lián)型逆變器不能工作于容性狀態(tài)，為了避免這種工作狀態(tài)，一方面要求逆變控制的頻率跟蹤速度很快，達(dá)到在動態(tài)過程中總是保持槽路呈現(xiàn)感性的目的，這是很困難的；另一方面為了避免動態(tài)過程中進(jìn)入容性狀態(tài)，要求正常工作時的感性角度很大（φ>30°），這樣造成功率MOSFET開關(guān)損耗增加，逆變器功率因數(shù)降低，從而失去固態(tài)設(shè)備高效節(jié)能的根本優(yōu)勢。解決上述問題的最佳辦法是克服寄生二極管的影響，即通過外部串并聯(lián)快恢復(fù)二極管對串聯(lián)型逆變器進(jìn)行改造，由外部并聯(lián)的快恢復(fù)二極管取代寄生二極管的作用，這樣就可以使高頻逆變器工作于諧振狀態(tài)，從而達(dá)到提高逆變器功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)功率MOSFET軟開關(guān)的目的。

    3.2 逆變器的頻率跟蹤 

圖2 逆變控制原理框圖 

    在高頻焊管過程中，高頻逆變器總是工作在諧振狀態(tài)附近的，由于負(fù)載的影響造成槽路等效參數(shù)的變化，將使逆變器偏離最佳工作點(diǎn)，因而不僅造成功率MOSFET關(guān)斷電流值增加，引起關(guān)斷損耗增大，而且當(dāng)逆變器工作點(diǎn)偏離諧振點(diǎn)較遠(yuǎn)時，在一定Q值下會使負(fù)載等效阻抗增大，逆變器功率容量不能充分利用。因此逆變器具有優(yōu)良的頻率自動跟蹤能力是至關(guān)重要的，圖2是采用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤和相角鎖定的逆變控制原理圖，根據(jù)互感器檢測到的逆變器輸出電壓和電流的相位關(guān)系，經(jīng)相位檢測電路輸出對應(yīng)相位差的占空比高低電平信號，濾波后得到直流電平，該電平反映了輸出電壓電流的基波相移，將直流電平與設(shè)定的相位鎖定值電平比較輸出控制信號，調(diào)節(jié)壓控振蕩器的輸出頻率，從而達(dá)到頻率自動跟蹤和鎖定逆變器相位的目的。

    3.3設(shè)計輸出功率偏大
    固態(tài)高頻設(shè)備所標(biāo)稱的功率值為直流側(cè)功率，這與電子管高頻設(shè)備標(biāo)稱振蕩功率是不同的。設(shè)備功率受負(fù)載匹配條件的影響較大，良好的負(fù)載匹配是功率輸出的保證，因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓和電流都不能超過其允許值，也就是說存在Udmax和Idmax，只有當(dāng)電壓和電流同時達(dá)到最大時，才能保證輸出最大功率。對于同一焊管機(jī)組，由于更換鋼管規(guī)格、鋼管壁厚的變化、采用不同的感應(yīng)器等都會引起負(fù)載匹配問題，當(dāng)然負(fù)載匹配不可能也不必要做到無級調(diào)節(jié)，在設(shè)計固態(tài)高頻焊管設(shè)備時應(yīng)按照符合工程設(shè)計誤差的原則充分考慮負(fù)載匹配問題：

    ①負(fù)載匹配良好時，設(shè)備功率允許在110%額定功率下長期運(yùn)行；
    ②負(fù)載匹配一般時，設(shè)備工作保證在100%額定功率下長期運(yùn)行；
    ③負(fù)載匹配較差時，設(shè)備功率保證在90%額定功率下長期運(yùn)行。

    3.4 安全裕量大
    對于50kW高頻逆變器，Idmax=120A，逆變器橋臂采用8只36A功率MOSFET和16只100A快恢復(fù)二極管并聯(lián)組成，其并聯(lián)能承受的額定電流為288A，考慮均流系數(shù)和動態(tài)分布參數(shù)的影響等綜合因素，設(shè)計工作電流在功率MOSFET額定電流的1/3-1/2區(qū)域內(nèi)，保證高頻逆變器有合理的安全裕量。

    3.5 輸出頻率高
    固態(tài)高頻焊管設(shè)備能夠適應(yīng)的最高工作頻率代表設(shè)備制造水平，這與控制技術(shù)、主電路器件選擇、工藝水平等密切相關(guān)。從焊管工藝來說，小口徑、薄壁鋼管需要較高的焊接頻率，否則由于焊接頻率過低，一方面造成焊縫熱熔區(qū)過寬，所需的焊接功率增加，影響焊接效率和鋼管焊接后的美觀性；另一方面由于焊接變壓器（空芯）效率受頻率影響較大，焊接頻率降低，焊接變壓器耦合效率降低，從而影響整機(jī)效率。參照電子管焊管設(shè)備頻率設(shè)計，固態(tài)設(shè)備根據(jù)功率大小應(yīng)設(shè)計的輸出頻率為：對于60kW設(shè)備，輸出頻率500-550kHz；對于100kW設(shè)備，輸出頻率400-450kHz；對于150kW、200kW設(shè)備，輸出頻率350-400kHz；對于200kW以上設(shè)備，輸出頻率300-350kHz。

4 與電子管高頻焊管電源的比較
    電子管高頻焊管設(shè)備積累了長期的運(yùn)行設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性已被廣大焊管企業(yè)所接受。隨著固態(tài)焊管設(shè)備的推廣應(yīng)用，其高效節(jié)能的強(qiáng)勁優(yōu)勢為激烈的焊管行業(yè)競爭開辟了一條新路。表1是兩種焊管設(shè)備的設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)比較。 

表1：兩種焊管設(shè)備設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)比較 

5 與國外固態(tài)高頻焊管電源的比較
    國外固態(tài)高頻電源的發(fā)展已有十幾年的歷史，由于歐美國家工業(yè)化程度較高和設(shè)備配套性較好，在整機(jī)技術(shù)水平和工藝方面與國內(nèi)設(shè)備相比仍有優(yōu)勢，但其昂貴的設(shè)備價格、維修費(fèi)用高和不符合中國國情的售后服務(wù)體系都限制了國外焊機(jī)在中國的推廣應(yīng)用。如何盡快提高國產(chǎn)固態(tài)焊機(jī)的技術(shù)工藝水平，發(fā)展民族工業(yè)，是擺在高頻焊機(jī)制造企業(yè)面前的緊迫問題。與國外固態(tài)高頻相比，國內(nèi)設(shè)備應(yīng)著重解決以下問題：

    ①高頻化：國內(nèi)固態(tài)焊機(jī)工作頻率最高550kHz，這與國外先進(jìn)固態(tài)焊機(jī)工作頻率已達(dá)到600~800kHz相比仍有較大差距，在有色金屬管等特殊焊管方面無法取代電子管設(shè)備。因此提高工作頻率，擴(kuò)大固態(tài)焊機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域仍是國內(nèi)固態(tài)焊機(jī)需進(jìn)一步探討的方向之一。

    ②大容量化：據(jù)報導(dǎo)國外已具備生產(chǎn)1700kW固態(tài)高頻電源的能力，國內(nèi)設(shè)備目前制造水平保持在400kW，生產(chǎn)800kW固態(tài)焊機(jī)估計仍需2~3年時間，進(jìn)一步解決設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)問題和器件并聯(lián)技術(shù)、逆變橋并聯(lián)技術(shù)問題，是發(fā)展大容量固態(tài)高頻設(shè)備的基礎(chǔ)。

    ③配套性與智能化控制：隨著焊管生產(chǎn)線智能化程度和對電源高可靠性要求的提高，必須加強(qiáng)固態(tài)焊機(jī)配套性的開發(fā)，如設(shè)備水冷系統(tǒng)、負(fù)載匹配與感應(yīng)器制作、密封機(jī)箱設(shè)計、速度—功率閉環(huán)控制系統(tǒng)等，同時固態(tài)高頻設(shè)備正向智能化控制方向發(fā)展，具有計算機(jī)智能接口、液晶顯示屏人機(jī)界面、遠(yuǎn)程控制、故障自動診斷等控制性能的固態(tài)設(shè)備正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。

6 結(jié)束語
    固態(tài)高頻設(shè)備以其高效節(jié)能和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)，在焊管行業(yè)正對傳統(tǒng)電子管設(shè)備提出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，成為電子管焊管設(shè)備的更新?lián)Q代產(chǎn)品，這對節(jié)約能源、降低焊管成本、提高焊管質(zhì)量都具有積極意義和深遠(yuǎn)影響。固態(tài)高頻焊管設(shè)備是電力電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，必將對焊管行業(yè)高頻焊管電源產(chǎn)生一次新的技術(shù)革命。