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高频电源介绍

文章出处:本站作者:Admin人气:发表时间:2017-12-27 16:21:57【
  一、高频电源基本知识

 电源(Switching Power Supply)是一种以半导体功率器件为开关元件,采用闭环控制模式,具备自动保护功能,实现电源形态转变的变流设备。其主要特点是主电路工作在开关状态,,同时开关频率较高。其工作过程见下图:

 二、1、输入滤波模块:该模块由共模和差模电感构成,其作用是谐波治理。

2、输入整流模块:该模块是开关电源不可缺少的基本电路。其主要功能是为逆变环节提供直流供电电源。

3、逆变模块:该模块是开关电源的核心组成部分,其基本构成是逆变控制模块及逆变动作两个模块,所完成的功能是实现20KHz左右的交流脉冲输出。

4、变压及隔离模块:本模块采用高频变压器实现电压变换,并实现输入输出电流隔离。

5、输出整流模块:本模块的基本功能是实现输出电流整流,向用电设备提供脉动直流或直流(通过滤波电路实现)电压。

6、控制模块:控制模块包括PWM控制电路、驱动电路、计算机控制电路等,其作用是控制电源运行过程,提供用电设备所需要的电流形式。

7、调节及显示模块:该模块提供操作人员观察及调节手段,包括调节电位器,控制按钮,数字式显示仪表等。

三、高频电源器件选型

1IGBTIGBT模块是开关电源逆变环节的核心部件。IGBT选用合理与否对开关电源运行的可靠性具有决定性作用。我公司选用德国英飞凌IGBT模块,该模块热性能好,工艺成熟,IGBT品牌中质量最优产品,是开关电源的首选模块。

2、三项整流桥:其内部结构为全桥式整流电路,决定三相整流桥质量的主要因素是管芯及封装工艺。本公司三相整流桥选用瑞华三相整流桥,采用进口芯片和进口工艺封装,耐压达到2500V

3、主变压器:选用高频钠米晶变压器。该变压器为一种座式结构,该座既是铁芯的保护层,又是变压器的输出端,还可提供冷却水的通道。另一特点是其导电面积大,发热小。由于该变压器采用了全新的结构形式,其生产制作的一致性高,特别适用于大功率电源的生产制造。该技术是我公司的专利技术,

4、输出整流管:输出整流管选型的关键是正向导通压降的大小及各管的一致性。我公司选用台湾AN的肖特基整流管,产品质量稳定可靠,是肖特基类一流品牌

5、空气开关:空气开关既是开关电源的三相电输入的控制器件,又是开关电源运行的保护器件。其作用不可忽视。我公司选用国内知名品牌正泰空气开关。

四、控制技术

1、高精度的双闭环控制电路

    电流、电压双闭环控制电路是我公司在多年电源生产实践中逐步完善的控制电路。其电路原理属于通用技术,但具体参数配置合理与否决定了闭环调节速度。闭环调节速度的快慢决定了电源的跟随特性。特别是高精度电源对此要求极高。我公司闭环调节速度为微秒级。

2、独创的共模差模滤波电路

    开关电源与其他变流设备一样,必然存在EMI。通过理论计算及实际电路实验,我公司摸索出了一套在不大量增加成本的基础上最大程度减轻EMI的有效途径。根据不同规格的电源,提供最合理的共模和差模结合治理的EMC方案。这样,对于多台开关电源同时使用提供了较好的安全保障。

3高频电源快速保护电路

    IGBT是一种结合了MOS管和晶体管优点的高效开关器件。但他同时存在过流能力较弱的缺点。要保证IGBT安全运行,在系统发生异常现象时,在几个脉冲周期内有效关断脉冲信号,是开关电源的必要保护手段。我公司产品提供了这种微秒级保护电路,电源安全运行有保证。

4、高精度的并联控制电路

大功率开关电源的实现,离不开电源模块并联技术。并联技术的关键是均流技术。其目的是保证电源模块间电流应力和热应力均匀分配,防止一台或多台模块运行在电流极限值(限流)状态。因为并联运行的各个模块特性并不一致,外特性好(电压调整率小)的模块,可能承担更多的电

流,甚至过载,从而使某些外特性较差的模块运行于轻载,甚至基本上是空载运行。其结果必然是分担电流多的模块,热应力大,降低了可靠性。我公司采取的是主从均流法,这一方法适用于电流型控制的并联开关电源系统中。所谓电流型控制是指开关电源模块中有电压控制和电流控制,形成双闭环系统。电流环,电压环是外环。

Vr为主模块的基准电压,Vf为输出电压反馈信号。经过电压误差放大器,得到误差电压Ve,控制脉宽调制器和驱动器(图中未画出驱动器)工作。于是主模块电流将按电流基准Ve调制,即模块电流近似与Ve成正比。

各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形成,主模块的电压误差Ve输入各跟随器,于是跟随器输出均为Ve,它既是从模块的电流基准,因此各个从模块的电流都按同一Ve值调制,与主模块电流基本一致,从而实现了均流。

现场使用情况表明该系统均流效果较好,各路误差在1%以下,符合并联电路基本要求。

特点

1、体积小、重量轻:

    体积与重量为可控硅整流器1/5-1/10,便于规划、扩建、移动和安装。

2、工作效率高:

    开关电源由于采用了高频变压器,转换效率大大提高,正常情况下较可控硅设备提高效率10%以上,负载率达70%以下时较可控硅设备提高效率30%以上。

3、技术含量高:

    核心部件采用国际专利技术产品,控制电路采用专有技术,稳压性能强,提高了工作效率。

4、可靠性强:

    保证设备安全运行,减少故障发生,保护齐全,隔离及防腐措施合理

5、控制精度高:

    由于系统反应速度快(微秒级),对于网电及负载变化具有极强的适应性,输出精度可优于1%。开关电源的工作效率高、所以控制精度高,有利于提高产品质量。

6、节电效果好:

    较可控硅整流器可节电10%-30%,对企业降低成本定会发挥重要作用。

7、灵活性强:

    输出电压、电流可调,限压、限流可调,大大提高客户使用灵活性。

8、保护功能齐全:

    软启动保护,输入交流欠压、过压保护,输出过流、过热保护功能。

9、输出波形易于调制:

    由于工作频率高,其输出波形调整相对处理成本较低,可以较方便的按照用户工艺要求改变输出波形。这样对于工作现场提高工效,改善加工产品质量有较强作用。

10、寿命长:

    水冷系列采用密封及水冷结构,功率部件通过水冷却,延长了其使用寿命,可使用自然水或洁净自然水冷却;风冷系列采用独立隔离风道从而确保其具有较高的防腐等级。

五、结构及工艺特点

1、完善的风道隔离技术

在污染情况严重的运行环境下,将电源的散热部分与功率及控制部分实行风道隔离是保证电源长期可靠运行的必要手段。我公司产品实行了彻底的风道隔离技术。其实,这一技术的关键是,在实行风道隔离的前提下,为电源系统提供良好的散热环境,这就需要选用合适的风机、合适的散热器、布置合理的风道。我公司选用国产优质250风机,定制符合风道设计的散热器,散热系统高效可靠。

2、独创的主功率器件水冷却技术

    金属材料内置水道技术在我公司率先使用。该技术解决了IGBT等功率器件的水冷方式散热难题。2006年,我公司又率先推出了水冷式变压器。这两项技术解决了全水冷开关电源的主要技术障碍。由于其结构简单,重量轻,便于维修维护,一经进入市场,就受到用户的欢迎,导致油浸水冷式开关电源基本退出市场。

3、高可靠性水道处理技术

    水冷电源在主要技术问题解决后,水道的外部连接也是一个需要解决的重要技术问题。其基本要求是连接通道耐压耐温能力强,弯曲易于实现且不能变形,抗老化能力强,连接可靠不漏水,绝缘能力强。我公司采用铝塑管,很好的实现了这个目的。

4、先进的高频噪声处理电路

由于开关电源采用了高速的大功率开关器件,在这些开关器件开通和关断的瞬间(5微秒以内),其输出波形存在尖锐而短暂的高频噪声(2微秒以内)。这种高频噪声对接用设备的使用效果有的情况下会产生不利作用。消除高频噪声也是开关电源性能好坏的一个重要指标。

5、合理的多水道冷却技术

    在水道设计方面,不但要考虑到总体的水量大小,还要考虑到水流运动过程中水温变化对局部冷却器件的冷却效果的影响,这样就需要考虑用多水道方案解决冷却效果不一致的问题。随之而来的是不同通道水阻不通带来的水流不均衡问题。我公司产品充分考虑到了水冷却技术本身的各种具体问题,实行了科学合理的多通道水冷却系统。

六、设计特点

1、器件及材料选用科学合理

    主要器件如前所述,其他器件及材料选用我公司也执行了一律选用国内国际优秀品牌的原则。小到操作开关器件,大到IGBT,我公司这些年都在国内外进行了长期筛选,优选出了与我公司建立长期供求关系的优质供应商。

2、按不同需求选用合适的拓扑电路形式

    电源功能实现的基础是选用合适的拓扑电路形式。许多电源制造企业对这一点注意不够,因而生产的开关电源从基础上就存在缺欠,导致其所生产的开关电源难以长期稳定运行,更谈不到满足用户的工艺要求。

3、安全余量有保证

七、我公司电源产品的独特特点:

    我公司开关电源长期坚持留有足够设计余量,以保证电源在合理使用条件下,能够始终在合理的工况状态下运行。根据不同情况,我公司电源主功率系统一般按110%130%余量进行设计。

   由于我公司电源具备以上特点,加之我公司基本实现了规范化、模块化的管理体系,从而形成了我公司开关电源的独特优势:

1、控制有效,高度一致,适应性好。

2、装配规范,结构紧凑,可靠性高。

3、跟随迅速,波形稳定,使用效果佳。

4、器件优良,余量合理,使用寿命长。

5、技术高端,稳定高效,节能效果好。

二、高频电源水冷电源的特点:

 1、采用独特的全密封式水冷结构,抗腐蚀能力强,大大降低了因环境污染引起  设备故障的概率。另外水冷散热系统散热的快速性,使得整机系统散热效果要优于风冷、油冷、油水冷结构。

 2、无噪音、体积相对同型号的风冷电源体积小,安装方便。

 3、散热快,机体温度不超过40℃(进水温度不超过30℃),稳定性高。

 4、变压器采用以超微晶(又称纳米晶)软磁材料为主变压器铁芯,采用独特的结构,由于副边导电面积大,实现大电流输出极为简单,特别适合大电流场合,结实耐用、可靠性高、寿命长;冷却面积大、散热效果好,极易地实现水冷等冷却方式;电气性能优越、耦合性好、铜损和铁损低、转换效率达99%

 :严格的元器件选型    

序号

器件名称

器件厂家

备注

1

IGBT功率模块

西门子(英飞凌)

 

2

肖特基二极管

台湾AN

 

3

主变压器

西安大铭

专利产品

4

三相桥

瑞华

 

5

空气开关

浙江正泰

 

6

散热风机

苏州电讯

 

7

电压显示表

上海仪科

数显式

8

电流显示表

上海仪科

数显式

9

主控制板

西安大铭

本公司自行设计产品

10

驱动板型号

西安大铭

本公司自行设计产品

11

面板型号

西安大铭

本公司自行设计产品

12

电位器

邦士

 

13

导电膏

BURNDY

 

14

冷却水管连接头

不锈钢

 

15

螺丝

不锈钢

 

16

连接铜排

紫铜

 

 九、基本技术参数

1、KX-GS(F)10000A/20V基本技术参数

1)输入电压:三相380V±15%50HZ

2)输出电流:0-10000A任意可调

3)输出电压:0- 20V任意可调

4)输出功率:0-200KW

5)稳流精度:≤±1%

6)稳压精度:≤±1%

7)调节范围:电流/电压在0-100%额定值内连续调节

8)整机效率:90%

9)功率因数:≥0.90

10)输出频率:20KHZ

11)输出波形:方波

12)保护方式:输入过压、欠压、过流,输出短路保护、过热保护,具有驱动故障自锁保护功能(有效保护整机工作)

13)冷却方式:风冷

14)控制方式:远程触摸屏控制

15)显示方式:输出电压、电流显示,工作、过热、故障显示

16)工作显示:LED(绿)工作显示:LED()故障显示:LED()过热显示

17)工作限度:可满负荷操作

18)水冷尺寸(深**高 ):1150*600*1500mm

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