專利名稱：用于單晶硅爐的高頻電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種電源模塊，特別是一種用于單晶硅爐中的電源模塊。
背景技術(shù)：
隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)單晶硅的需求也隨之增加，加之世界經(jīng)濟(jì)大環(huán)境的 影響，如何降低單晶硅的生產(chǎn)成本則成為亟待解決的問題，然而在單晶硅的生產(chǎn)過程中其 主要耗能設(shè)備則是單晶硅爐的電源，因此如何降低電源的能耗，成為節(jié)能的關(guān)鍵。目前，用于單晶硅爐中的電源主要有6脈波整流電源和12脈波雙橋整流電源兩 種。圖4所示為6脈波整流電源的電路圖，主要采用三相五柱干式整流變壓器進(jìn)行整流，一 次側(cè)采用晶間管調(diào)壓、二次側(cè)采用二極管整流；其工作時(shí)整流變壓器二次側(cè)二極管的損耗 較大，輸出波形的紋波系數(shù)大，如圖5所示；由于單晶硅爐在化料與等徑狀態(tài)所消耗的時(shí)間 和功率差別較大，因此整流變壓器大部分時(shí)間只以百分之七十的容量運(yùn)行，功耗較大，利用 率較低。圖6所示為12脈波雙橋整流電源的電路圖，主要采用整流變壓器進(jìn)行整流，并且 整流變壓器采用雙繞組輸出，其二次側(cè)采用雙全控橋整流，由于輸出電流紋波較大，必須增 加平衡電抗器對(duì)雙繞組輸出電流進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的輸出波形如圖7所示；雖然12脈波雙 橋整流電源的輸出波形較6脈波整流電源的輸出波形諧波含量有所改善，但是需要增加補(bǔ) 償裝置。并且這兩種傳統(tǒng)的電源均采用了整流變壓器，其體積較大，重量也相當(dāng)重，大約在 1300 2000Kg之間，加工此種整流變壓器需要消耗大量銅材、鋼材；而且整流變壓器多為 水冷式和風(fēng)冷式，還需要消耗外界能源，不僅消耗較大，安裝時(shí)還不方便，不利于批量生產(chǎn)。經(jīng)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反 比，當(dāng)功率從工頻50Hz提高到20kHz時(shí)，用電設(shè)備的體積和重量將降至工頻設(shè)計(jì)時(shí)的百分 之五到百分之十。因此如何尋找一種高頻的電源用于單晶硅的生產(chǎn)則成為人們研究的方 向。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題是提供一種體積較小，重量較輕，并且能耗較小、可靠 性較高的高頻電源。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是—種用于單晶硅爐的高頻電源，包括主控電路、輸入電抗器、三相整流橋、功率模 塊以及濾波回路，其中主控電路，用于實(shí)時(shí)控制各個(gè)模塊的工作狀態(tài)；輸入電抗器，與三相 輸入交流電源連接，用于降低系統(tǒng)諧波；三相整流橋，其輸入端與交流進(jìn)線輸入電抗器的輸 出端連接，用于將輸入的交流電源整流為直流電源，并將整流后的直流信號(hào)輸出給功率模 塊；功率模塊，將直流信號(hào)經(jīng)高頻逆變器逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào)、然后經(jīng)降壓及整流后，輸出 給濾波回路；濾波回路，用于將功率模塊輸出的直流信號(hào)進(jìn)行濾波，然后輸出。本實(shí)用新型的改進(jìn)在于所述功率模塊包括依次連接的RC濾波電路、移相全橋 ZVS-PWM變換器、高頻降壓變壓器、以及整流單元。所述整流單元為快速二極管整流單元。其中移相全橋ZVS-PWM變換器將輸入的直流信號(hào)逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào)，高頻降壓變壓器用 于將高頻高壓交流信號(hào)降壓至快速二極管整流單元的耐壓范圍內(nèi)，快速二極管用于將高頻 低壓交流信號(hào)整流為直流信號(hào)。所述功率模塊的改進(jìn)在于所述功率模塊至少為兩塊。 由于采用了以上技術(shù)方案，本實(shí)用新型所取得技術(shù)進(jìn)步在于本實(shí)用新型的輸入端采用的平波電抗器，有效地降低了系統(tǒng)的諧波含量，有利于 電源工作的安全性及穩(wěn)定性。采用的移相全橋ZVS-PWM變換器為軟開關(guān)控制技術(shù)，能夠在 零電壓條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，在零電流條件下關(guān)斷或?qū)?，與硬開關(guān)相比其損耗較小，大大降 低了開關(guān)管的功率損耗，減少了電源的噪聲污染和電磁干擾；采用此軟開關(guān)技術(shù)電壓變化 率和電流變化率都大為降低，能夠消除相應(yīng)的電磁干擾和射頻干擾，提高了變換器的可靠 性和變換效率的同時(shí)，減小了變換器的體積和重量，從而保證了多套功率模塊組成的高頻 電源工作時(shí)既不互相影響，也不會(huì)對(duì)其他控制設(shè)備產(chǎn)生干擾。移相全橋ZVS-PWM變換器中 設(shè)置的IGBT逆變器工作頻率在20kHz左右，IGBT逆變器的輸入端采用了母線層疊技術(shù)，不 僅有效利用了空間，而且能夠保證IGBT輸入線路具有較高的輸入阻抗和較低的導(dǎo)通壓降， 減少電壓尖峰對(duì)IGBT的損害，延長I GBT的使用壽命，降低系統(tǒng)噪音和電磁干擾，方便安裝 和現(xiàn)場維護(hù)，增加了系統(tǒng)的可靠性。功率模塊中的高頻降壓變壓器，體積較小、重量較輕，只 有15kg左右，并且該變壓器采用鐵基納米晶鐵芯，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高導(dǎo)磁率、低矯 頑力、低損耗和良好的溫度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此使高頻變壓器具備了體積小、高效率、低激 磁功率等特點(diǎn)。功率模塊中經(jīng)高頻降壓變壓器降壓后的交流信號(hào)經(jīng)整流單元輸出時(shí)，采用 的快速二極管具有恢復(fù)速度快、管壓降低和損耗小等特點(diǎn)。功率模塊設(shè)置為兩套以上，各個(gè) 獨(dú)立的功率模塊處于并聯(lián)工作狀態(tài)，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，即使其中 某個(gè)模塊出現(xiàn)故障，其他模塊會(huì)再平均分配負(fù)載電流，因此不但提高了設(shè)備的容量和大電 流輸出的要求，而且只是通過增加相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余功率模塊，便極大 地提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，充分保證了設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。綜上所述，由上述技術(shù)特征構(gòu)成的本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)體積小，重量輕；2)可靠性高高頻電源的功率模塊采用N+1冗余設(shè)計(jì)理念，一用N備，保證設(shè)備可 以連續(xù)運(yùn)行；3)功率因數(shù)高功率因數(shù)不低于0. 98，降低線損、提高供配電變壓器的利用率；4)損耗低、效率高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)92%，符合當(dāng)前低碳社會(huì)要求；5)輸出功率大最大直流輸出電壓60V，電流3000A，功率可到180kW ；6)紋波系數(shù)低紋波系數(shù)< 0. 2% ；7)控制精度高，可延長負(fù)載使用壽命；并且輸出的波形為平滑直流波，保證了電 源工作的穩(wěn)定性。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型功率模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本實(shí)用新型的輸出波形；[0023]圖4為6脈波整流電源的原理圖； 圖5為6脈波整流電源的輸出波形；圖6為12脈波雙橋整流電源原理圖；圖7為12脈波雙橋整流電源的輸出波形。其中AC.交流電源，DC.直流信號(hào)，SCR.晶閘管調(diào)壓單元，D. 二極管整流單元， T.變壓器。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1為一種用于單晶硅爐的高頻電源，包括主控電路、輸入電抗器、三相整流橋、 功率模塊以及濾波回路，其中功率模塊如圖2所述包括依次連接的RC濾波電路、移相全橋 ZVS-PWM變換器、高頻降壓變壓器、以及快速二極管整流單元。本實(shí)施例中功率模塊為三套。本實(shí)用新型的電連接關(guān)系為輸入電抗器、三相整流橋、功率模塊以及濾波回路依 次電連接；主控電路分別與輸入電抗器、三相整流橋、功率模塊電連接，實(shí)時(shí)控制各個(gè)模塊 的工作狀態(tài)；濾波回路的電流信號(hào)反饋到主控電路，以便主控電路根據(jù)檢測的電流信號(hào)作 出工作指令。本實(shí)用新型的工作原理為交流電源AC輸入到輸入電抗器，然后經(jīng)三相整流橋， 整流后的直流信號(hào)輸入到功率模塊中，此時(shí)信號(hào)經(jīng)過功率模塊中的RC濾波電路進(jìn)行濾波 后，經(jīng)移相全橋ZVS-PWM變換器逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào)，高頻交流信號(hào)經(jīng)高頻降壓變壓器降 壓為快速二極管耐壓范圍內(nèi)的高頻低壓交流信號(hào)，高頻低壓交流信號(hào)再經(jīng)過快速二極管整 流單元進(jìn)行整流，然后輸出直流信號(hào)；此時(shí)的直流信號(hào)再經(jīng)過濾波回路濾波輸出平滑的直 流波，如圖3所示。
權(quán)利要求一種用于單晶硅爐的高頻電源，包括主控電路、三相整流橋和濾波回路，其特征在于還包括輸入電抗器以及功率模塊，其中主控電路，用于實(shí)時(shí)控制各個(gè)模塊的工作狀態(tài)；輸入電抗器，與三相輸入電源連接，用于降低系統(tǒng)諧波；三相整流橋，其輸入端與輸入電抗器的輸出端連接，用于將輸入的交流電源整流為直流電源，并將整流后的直流信號(hào)輸出給功率模塊；功率模塊，將直流信號(hào)經(jīng)高頻逆變器逆變?yōu)楦哳l交流信號(hào)、然后經(jīng)降壓及整流后，輸出給濾波回路；濾波回路，用于將功率模塊輸出的直流信號(hào)進(jìn)行濾波后輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于單晶硅爐的高頻電源，其特征在于所述功率模塊包括 依次連接的RC濾波電路、移相全橋ZVS-PWM變換器、高頻降壓變壓器、以及整流單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于單晶硅爐的高頻電源，其特征在于所述整流單元為快速二極管整流單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的用于單晶硅爐的高頻電源，其特征在于所述功 率模塊至少為兩塊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于單晶硅爐的高頻電源，包括主控電路、輸入電抗器、三相整流橋、功率模塊以及濾波回路，其中功率模塊包括依次連接的RC濾波電路、移相全橋ZVS-PWM變換器、高頻降壓變壓器、以及快速二極管整流單元。本實(shí)用新型具有體積小，重量輕，并且能耗小、可靠性高，用于單晶硅的生產(chǎn)，可大大降低成本。
文檔編號(hào)H02M1/14GK201699603SQ20102022528
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者張小龍, 石新春, 鄭慶紅 申請(qǐng)人:保定三伊電力電子有限公司