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。

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