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

3 几个特殊问题的介绍
    3.1 逆变器工作状态的适应范围
    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°），这样造成功率MOSFET开关损耗增加，逆变器功率因数降低，从而失去固态设备高效节能的根本优势。解决上述问题的最佳办法是克服寄生二极管的影响，即通过外部串并联快恢复二极管对串联型逆变器进行改造，由外部并联的快恢复二极管取代寄生二极管的作用，这样就可以使高频逆变器工作于谐振状态，从而达到提高逆变器功率因数和实现功率MOSFET软开关的目的。

    3.2 逆变器的频率跟踪 

图2 逆变控制原理框图 

    在高频焊管过程中，高频逆变器总是工作在谐振状态附近的，由于负载的影响造成槽路等效参数的变化，将使逆变器偏离最佳工作点，因而不仅造成功率MOSFET关断电流值增加，引起关断损耗增大，而且当逆变器工作点偏离谐振点较远时，在一定Q值下会使负载等效阻抗增大，逆变器功率容量不能充分利用。因此逆变器具有优良的频率自动跟踪能力是至关重要的，图2是采用锁相环电路实现频率自动跟踪和相角锁定的逆变控制原理图，根据互感器检测到的逆变器输出电压和电流的相位关系，经相位检测电路输出对应相位差的占空比高低电平信号，滤波后得到直流电平，该电平反映了输出电压电流的基波相移，将直流电平与设定的相位锁定值电平比较输出控制信号，调节压控振荡器的输出频率，从而达到频率自动跟踪和锁定逆变器相位的目的。

    3.3设计输出功率偏大
    固态高频设备所标称的功率值为直流侧功率，这与电子管高频设备标称振荡功率是不同的。设备功率受负载匹配条件的影响较大，良好的负载匹配是功率输出的保证，因为直流侧电压和电流都不能超过其允许值，也就是说存在Udmax和Idmax，只有当电压和电流同时达到最大时，才能保证输出最大功率。对于同一焊管机组，由于更换钢管规格、钢管壁厚的变化、采用不同的感应器等都会引起负载匹配问题，当然负载匹配不可能也不必要做到无级调节，在设计固态高频焊管设备时应按照符合工程设计误差的原则充分考虑负载匹配问题：

    ①负载匹配良好时，设备功率允许在110%额定功率下长期运行；
    ②负载匹配一般时，设备工作保证在100%额定功率下长期运行；
    ③负载匹配较差时，设备功率保证在90%额定功率下长期运行。

    3.4 安全裕量大
    对于50kW高频逆变器，Idmax=120A，逆变器桥臂采用8只36A功率MOSFET和16只100A快恢复二极管并联组成，其并联能承受的额定电流为288A，考虑均流系数和动态分布参数的影响等综合因素，设计工作电流在功率MOSFET额定电流的1/3-1/2区域内，保证高频逆变器有合理的安全裕量。

    3.5 输出频率高
    固态高频焊管设备能够适应的最高工作频率代表设备制造水平，这与控制技术、主电路器件选择、工艺水平等密切相关。从焊管工艺来说，小口径、薄壁钢管需要较高的焊接频率，否则由于焊接频率过低，一方面造成焊缝热熔区过宽，所需的焊接功率增加，影响焊接效率和钢管焊接后的美观性；另一方面由于焊接变压器（空芯）效率受频率影响较大，焊接频率降低，焊接变压器耦合效率降低，从而影响整机效率。参照电子管焊管设备频率设计，固态设备根据功率大小应设计的输出频率为：对于60kW设备，输出频率500-550kHz；对于100kW设备，输出频率400-450kHz；对于150kW、200kW设备，输出频率350-400kHz；对于200kW以上设备，输出频率300-350kHz。

4 与电子管高频焊管电源的比较
    电子管高频焊管设备积累了长期的运行设计经验，设备质量和运行稳定性已被广大焊管企业所接受。随着固态焊管设备的推广应用，其高效节能的强劲优势为激烈的焊管行业竞争开辟了一条新路。表1是两种焊管设备的设计和运行参数比较。 

表1：两种焊管设备设计和运行参数比较 

5 与国外固态高频焊管电源的比较
    国外固态高频电源的发展已有十几年的历史，由于欧美国家工业化程度较高和设备配套性较好，在整机技术水平和工艺方面与国内设备相比仍有优势，但其昂贵的设备价格、维修费用高和不符合中国国情的售后服务体系都限制了国外焊机在中国的推广应用。如何尽快提高国产固态焊机的技术工艺水平，发展民族工业，是摆在高频焊机制造企业面前的紧迫问题。与国外固态高频相比，国内设备应着重解决以下问题：

    ①高频化：国内固态焊机工作频率最高550kHz，这与国外先进固态焊机工作频率已达到600~800kHz相比仍有较大差距，在有色金属管等特殊焊管方面无法取代电子管设备。因此提高工作频率，扩大固态焊机应用领域仍是国内固态焊机需进一步探讨的方向之一。

    ②大容量化：据报导国外已具备生产1700kW固态高频电源的能力，国内设备目前制造水平保持在400kW，生产800kW固态焊机估计仍需2~3年时间，进一步解决设备工艺结构问题和器件并联技术、逆变桥并联技术问题，是发展大容量固态高频设备的基础。

    ③配套性与智能化控制：随着焊管生产线智能化程度和对电源高可靠性要求的提高，必须加强固态焊机配套性的开发，如设备水冷系统、负载匹配与感应器制作、密封机箱设计、速度—功率闭环控制系统等，同时固态高频设备正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、液晶显示屏人机界面、远程控制、故障自动诊断等控制性能的固态设备正成为下一代发展目标。

6 结束语
    固态高频设备以其高效节能和运行维护费用低等突出优点，在焊管行业正对传统电子管设备提出强有力的挑战，成为电子管焊管设备的更新换代产品，这对节约能源、降低焊管成本、提高焊管质量都具有积极意义和深远影响。固态高频焊管设备是电力电子技术发展的结晶，必将对焊管行业高频焊管电源产生一次新的技术革命。