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高頻電源介紹

文章出處:本站作者:Admin人氣:發表時間:2017-12-27 16:21:57【
  一、高頻電源基本知識

 電源(Switching Power Supply)是一種以半導體功率器件為開關元件,采用閉環控制模式,具備自動保護功能,實現電源形態轉變的變流設備。其主要特點是主電路工作在開關狀態,,同時開關頻率較高。其工作過程見下圖:

 二、1、輸入濾波模塊:該模塊由共模和差模電感構成,其作用是諧波治理。

2、輸入整流模塊:該模塊是開關電源不可缺少的基本電路。其主要功能是為逆變環節提供直流供電電源。

3、逆變模塊:該模塊是開關電源的核心組成部分,其基本構成是逆變控制模塊及逆變動作兩個模塊,所完成的功能是實現20KHz左右的交流脈沖輸出。

4、變壓及隔離模塊:本模塊采用高頻變壓器實現電壓變換,并實現輸入輸出電流隔離。

5、輸出整流模塊:本模塊的基本功能是實現輸出電流整流,向用電設備提供脈動直流或直流(通過濾波電路實現)電壓。

6、控制模塊:控制模塊包括PWM控制電路、驅動電路、計算機控制電路等,其作用是控制電源運行過程,提供用電設備所需要的電流形式。

7、調節及顯示模塊:該模塊提供操作人員觀察及調節手段,包括調節電位器,控制按鈕,數字式顯示儀表等。

三、高頻電源器件選型

1IGBTIGBT模塊是開關電源逆變環節的核心部件。IGBT選用合理與否對開關電源運行的可靠性具有決定性作用。我公司選用德國英飛凌IGBT模塊,該模塊熱性能好,工藝成熟,IGBT品牌中質量最優產品,是開關電源的首選模塊。

2、三項整流橋:其內部結構為全橋式整流電路,決定三相整流橋質量的主要因素是管芯及封裝工藝。本公司三相整流橋選用瑞華三相整流橋,采用進口芯片和進口工藝封裝,耐壓達到2500V

3、主變壓器:選用高頻鈉米晶變壓器。該變壓器為一種座式結構,該座既是鐵芯的保護層,又是變壓器的輸出端,還可提供冷卻水的通道。另一特點是其導電面積大,發熱小。由于該變壓器采用了全新的結構形式,其生產制作的一致性高,特別適用于大功率電源的生產制造。該技術是我公司的專利技術,

4、輸出整流管:輸出整流管選型的關鍵是正向導通壓降的大小及各管的一致性。我公司選用臺灣AN的肖特基整流管,產品質量穩定可靠,是肖特基類一流品牌

5、空氣開關:空氣開關既是開關電源的三相電輸入的控制器件,又是開關電源運行的保護器件。其作用不可忽視。我公司選用國內知名品牌正泰空氣開關。

四、控制技術

1、高精度的雙閉環控制電路

    電流、電壓雙閉環控制電路是我公司在多年電源生產實踐中逐步完善的控制電路。其電路原理屬于通用技術,但具體參數配置合理與否決定了閉環調節速度。閉環調節速度的快慢決定了電源的跟隨特性。特別是高精度電源對此要求極高。我公司閉環調節速度為微秒級。

2、獨創的共模差模濾波電路

    開關電源與其他變流設備一樣,必然存在EMI。通過理論計算及實際電路實驗,我公司摸索出了一套在不大量增加成本的基礎上最大程度減輕EMI的有效途徑。根據不同規格的電源,提供最合理的共模和差模結合治理的EMC方案。這樣,對于多臺開關電源同時使用提供了較好的安全保障。

3高頻電源快速保護電路

    IGBT是一種結合了MOS管和晶體管優點的高效開關器件。但他同時存在過流能力較弱的缺點。要保證IGBT安全運行,在系統發生異常現象時,在幾個脈沖周期內有效關斷脈沖信號,是開關電源的必要保護手段。我公司產品提供了這種微秒級保護電路,電源安全運行有保證。

4、高精度的并聯控制電路

大功率開關電源的實現,離不開電源模塊并聯技術。并聯技術的關鍵是均流技術。其目的是保證電源模塊間電流應力和熱應力均勻分配,防止一臺或多臺模塊運行在電流極限值(限流)狀態。因為并聯運行的各個模塊特性并不一致,外特性好(電壓調整率小)的模塊,可能承擔更多的電

流,甚至過載,從而使某些外特性較差的模塊運行于輕載,甚至基本上是空載運行。其結果必然是分擔電流多的模塊,熱應力大,降低了可靠性。我公司采取的是主從均流法,這一方法適用于電流型控制的并聯開關電源系統中。所謂電流型控制是指開關電源模塊中有電壓控制和電流控制,形成雙閉環系統。電流環,電壓環是外環。

Vr為主模塊的基準電壓,Vf為輸出電壓反饋信號。經過電壓誤差放大器,得到誤差電壓Ve,控制脈寬調制器和驅動器(圖中未畫出驅動器)工作。于是主模塊電流將按電流基準Ve調制,即模塊電流近似與Ve成正比。

各個從模塊的電壓誤差放大器接成跟隨器的形成,主模塊的電壓誤差Ve輸入各跟隨器,于是跟隨器輸出均為Ve,它既是從模塊的電流基準,因此各個從模塊的電流都按同一Ve值調制,與主模塊電流基本一致,從而實現了均流。

現場使用情況表明該系統均流效果較好,各路誤差在1%以下,符合并聯電路基本要求。

特點

1、體積小、重量輕:

    體積與重量為可控硅整流器1/5-1/10,便于規劃、擴建、移動和安裝。

2、工作效率高:

    開關電源由于采用了高頻變壓器,轉換效率大大提高,正常情況下較可控硅設備提高效率10%以上,負載率達70%以下時較可控硅設備提高效率30%以上。

3、技術含量高:

    核心部件采用國際專利技術產品,控制電路采用專有技術,穩壓性能強,提高了工作效率。

4、可靠性強:

    保證設備安全運行,減少故障發生,保護齊全,隔離及防腐措施合理

5、控制精度高:

    由于系統反應速度快(微秒級),對于網電及負載變化具有極強的適應性,輸出精度可優于1%。開關電源的工作效率高、所以控制精度高,有利于提高產品質量。

6、節電效果好:

    較可控硅整流器可節電10%-30%,對企業降低成本定會發揮重要作用。

7、靈活性強:

    輸出電壓、電流可調,限壓、限流可調,大大提高客戶使用靈活性。

8、保護功能齊全:

    軟啟動保護,輸入交流欠壓、過壓保護,輸出過流、過熱保護功能。

9、輸出波形易于調制:

    由于工作頻率高,其輸出波形調整相對處理成本較低,可以較方便的按照用戶工藝要求改變輸出波形。這樣對于工作現場提高工效,改善加工產品質量有較強作用。

10、壽命長:

    水冷系列采用密封及水冷結構,功率部件通過水冷卻,延長了其使用壽命,可使用自然水或潔凈自然水冷卻;風冷系列采用獨立隔離風道從而確保其具有較高的防腐等級。

五、結構及工藝特點

1、完善的風道隔離技術

在污染情況嚴重的運行環境下,將電源的散熱部分與功率及控制部分實行風道隔離是保證電源長期可靠運行的必要手段。我公司產品實行了徹底的風道隔離技術。其實,這一技術的關鍵是,在實行風道隔離的前提下,為電源系統提供良好的散熱環境,這就需要選用合適的風機、合適的散熱器、布置合理的風道。我公司選用國產優質250風機,定制符合風道設計的散熱器,散熱系統高效可靠。

2、獨創的主功率器件水冷卻技術

    金屬材料內置水道技術在我公司率先使用。該技術解決了IGBT等功率器件的水冷方式散熱難題。2006年,我公司又率先推出了水冷式變壓器。這兩項技術解決了全水冷開關電源的主要技術障礙。由于其結構簡單,重量輕,便于維修維護,一經進入市場,就受到用戶的歡迎,導致油浸水冷式開關電源基本退出市場。

3、高可靠性水道處理技術

    水冷電源在主要技術問題解決后,水道的外部連接也是一個需要解決的重要技術問題。其基本要求是連接通道耐壓耐溫能力強,彎曲易于實現且不能變形,抗老化能力強,連接可靠不漏水,絕緣能力強。我公司采用鋁塑管,很好的實現了這個目的。

4、先進的高頻噪聲處理電路

由于開關電源采用了高速的大功率開關器件,在這些開關器件開通和關斷的瞬間(5微秒以內),其輸出波形存在尖銳而短暫的高頻噪聲(2微秒以內)。這種高頻噪聲對接用設備的使用效果有的情況下會產生不利作用。消除高頻噪聲也是開關電源性能好壞的一個重要指標。

5、合理的多水道冷卻技術

    在水道設計方面,不但要考慮到總體的水量大小,還要考慮到水流運動過程中水溫變化對局部冷卻器件的冷卻效果的影響,這樣就需要考慮用多水道方案解決冷卻效果不一致的問題。隨之而來的是不同通道水阻不通帶來的水流不均衡問題。我公司產品充分考慮到了水冷卻技術本身的各種具體問題,實行了科學合理的多通道水冷卻系統。

六、設計特點

1、器件及材料選用科學合理

    主要器件如前所述,其他器件及材料選用我公司也執行了一律選用國內國際優秀品牌的原則。小到操作開關器件,大到IGBT,我公司這些年都在國內外進行了長期篩選,優選出了與我公司建立長期供求關系的優質供應商。

2、按不同需求選用合適的拓撲電路形式

    電源功能實現的基礎是選用合適的拓撲電路形式。許多電源制造企業對這一點注意不夠,因而生產的開關電源從基礎上就存在缺欠,導致其所生產的開關電源難以長期穩定運行,更談不到滿足用戶的工藝要求。

3、安全余量有保證

七、我公司電源產品的獨特特點:

    我公司開關電源長期堅持留有足夠設計余量,以保證電源在合理使用條件下,能夠始終在合理的工況狀態下運行。根據不同情況,我公司電源主功率系統一般按110%130%余量進行設計。

   由于我公司電源具備以上特點,加之我公司基本實現了規范化、模塊化的管理體系,從而形成了我公司開關電源的獨特優勢:

1、控制有效,高度一致,適應性好。

2、裝配規范,結構緊湊,可靠性高。

3、跟隨迅速,波形穩定,使用效果佳。

4、器件優良,余量合理,使用壽命長。

5、技術高端,穩定高效,節能效果好。

二、高頻電源水冷電源的特點:

 1、采用獨特的全密封式水冷結構,抗腐蝕能力強,大大降低了因環境污染引起  設備故障的概率。另外水冷散熱系統散熱的快速性,使得整機系統散熱效果要優于風冷、油冷、油水冷結構。

 2、無噪音、體積相對同型號的風冷電源體積小,安裝方便。

 3、散熱快,機體溫度不超過40℃(進水溫度不超過30℃),穩定性高。

 4、變壓器采用以超微晶(又稱納米晶)軟磁材料為主變壓器鐵芯,采用獨特的結構,由于副邊導電面積大,實現大電流輸出極為簡單,特別適合大電流場合,結實耐用、可靠性高、壽命長;冷卻面積大、散熱效果好,極易地實現水冷等冷卻方式;電氣性能優越、耦合性好、銅損和鐵損低、轉換效率達99%

 :嚴格的元器件選型    

序號

器件名稱

器件廠家

備注

1

IGBT功率模塊

西門子(英飛凌)

 

2

肖特基二極管

臺灣AN

 

3

主變壓器

西安大銘

專利產品

4

三相橋

瑞華

 

5

空氣開關

浙江正泰

 

6

散熱風機

蘇州電訊

 

7

電壓顯示表

上海儀科

數顯式

8

電流顯示表

上海儀科

數顯式

9

主控制板

西安大銘

本公司自行設計產品

10

驅動板型號

西安大銘

本公司自行設計產品

11

面板型號

西安大銘

本公司自行設計產品

12

電位器

邦士

 

13

導電膏

BURNDY

 

14

冷卻水管連接頭

不銹鋼

 

15

螺絲

不銹鋼

 

16

連接銅排

紫銅

 

 九、基本技術參數

1、KX-GS(F)10000A/20V基本技術參數

1)輸入電壓:三相380V±15%50HZ

2)輸出電流:0-10000A任意可調

3)輸出電壓:0- 20V任意可調

4)輸出功率:0-200KW

5)穩流精度:≤±1%

6)穩壓精度:≤±1%

7)調節范圍:電流/電壓在0-100%額定值內連續調節

8)整機效率:90%

9)功率因數:≥0.90

10)輸出頻率:20KHZ

11)輸出波形:方波

12)保護方式:輸入過壓、欠壓、過流,輸出短路保護、過熱保護,具有驅動故障自鎖保護功能(有效保護整機工作)

13)冷卻方式:風冷

14)控制方式:遠程觸摸屏控制

15)顯示方式:輸出電壓、電流顯示,工作、過熱、故障顯示

16)工作顯示:LED()工作顯示:LED()故障顯示:LED()過熱顯示

17)工作限度:可滿負荷操作

18)水冷尺寸(深**高 ):1150*600*1500mm

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