專利名稱：大容量多重化dc-dc電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于多晶硅生產(chǎn)、制氫、電解與電鍍等領(lǐng)域的大功率直流電源， 屬電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著新能源政策的傾斜，太陽能級(jí)多晶硅的需求量越來越大。大容量電源是多晶硅生產(chǎn)所必需的重要設(shè)備，目前，多晶硅生產(chǎn)一般采用多晶硅交流供電電源或可控硅整流電源，交流電源存在著前端濾波器體積大，控制線路復(fù)雜等缺點(diǎn)，而可控硅整流中高功率調(diào)壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作困難。這兩種電源均無備用單元，可靠性不理想，而且效率較低， 諧波大。采用DC-DC斬波變換器可以克服上述缺點(diǎn)，但由于單個(gè)電力電子器件允許通過的電流較小，現(xiàn)有DC-DC斬波變換器的功率遠(yuǎn)不能滿足多晶硅生產(chǎn)的要求。因此，如何設(shè)計(jì)一種體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、容量大、諧波小、可靠性高的適用于多晶硅生產(chǎn)的理想電源，是有關(guān)技術(shù)人員目前所面臨的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于克服上述已有技術(shù)之缺陷、提供一種體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、 諧波小、可靠性高和效率高的大容量多重化DC-DC電源，以滿足多晶硅生產(chǎn)的要求。本發(fā)明所稱問題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種大容量多重化DC-DC電源，由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC斬波變換器、智能控制器和LC 低通濾波器組成，每個(gè)DC-DC斬波變換器均由IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路組成，多個(gè)DC-DC斬波變換器中的IGBT的漏極連接在一起后接輸入電壓，源極連接在一起后經(jīng)LC低通濾波器接負(fù)載，每個(gè)IGBT的門極經(jīng)其驅(qū)動(dòng)電路與智能控制器連接，在LC低通濾波器與IGBT之間設(shè)置有續(xù)流二極管。上述大容量多重化DC-DC電源，所述IGBT的驅(qū)動(dòng)電路由脈沖變壓器、場效應(yīng)管、三個(gè)三極管、電阻、電容組成，第一三極管串接在脈沖變壓器的控制回路中，其基極經(jīng)第一電阻接智能控制器的輸出端，所述場效應(yīng)管的柵極接脈沖變壓器的脈沖信號(hào)輸出端，其漏極經(jīng)第二電阻接正偏電壓，源極接負(fù)偏電壓，第二三極管和第三三極管接成圖騰柱電路，所述圖騰柱電路的輸入端接場效應(yīng)管的漏極，輸出端經(jīng)第三電阻接IGBT的門極，第一電容和第二電容分別接在第二三極管和第三三極管的發(fā)射極與集電極之間。上述大容量多重化DC-DC電源，每個(gè)IGBT均設(shè)置有過熱保護(hù)電路，所述過熱保護(hù)電路由熱敏電阻、運(yùn)算放大器、電阻和電容組成，所述熱敏電阻安裝在IGBT的散熱片上，所述運(yùn)算放大器的同相輸入端經(jīng)第四電阻接參考電壓，輸出端接智能控制器的CAPl端 ’第五電阻與熱敏電阻接成串聯(lián)分壓電路后接電源電壓，它們串接點(diǎn)的輸出信號(hào)經(jīng)由第六電阻和第三電容組成的RC濾波器接運(yùn)算放大器的反相輸入端。上述大容量多重化DC-DC電源，每個(gè)IGBT均設(shè)置有過流保護(hù)電路，所述過流保護(hù)電路由兩個(gè)三極管、電位器、二極管和電阻組成，第四三極管接成共射極放大電路，第七電阻是其集電極負(fù)載，第四三極管的基極接IGBT的門極，集電極經(jīng)二極管接IGBT的漏極并經(jīng)電位器接地，第五三級(jí)管的發(fā)射極接地，基極接電位器的滑動(dòng)端，集電極接智能控制器的 CAPO端并經(jīng)第八電阻接電源正極。本發(fā)明利用智能控制器控制并聯(lián)連接的多個(gè)IGBT分時(shí)導(dǎo)通，讓多個(gè)IGBT共同承擔(dān)負(fù)載所需的大電流，不僅增大了電源的功率，解決了目前單個(gè)電力電子器件不能滿足大功率DC-DC變換器要求的問題，而且提高了等效開關(guān)頻率，減小了 LC濾波器中電感電容元件的體積和重量，提高了變換裝置的功率密度。此外，本發(fā)明的各個(gè)斬波變換器還有互為備用的功能，一個(gè)斬波變換器發(fā)生故障后其余變換器還可繼續(xù)工作，提高了電源的總體可靠性。本裝置不僅可滿足多晶硅生產(chǎn)、制氫、電解、電鍍等領(lǐng)域?qū)﹄娫垂β实囊?，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、制作方便、穩(wěn)壓穩(wěn)流效果好、可靠性高、不產(chǎn)生環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)， 是傳統(tǒng)的相控整流電源的換代產(chǎn)品。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。圖1是本發(fā)明的電原理框圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(3個(gè)斬波單元)的電原理圖； 圖3是驅(qū)動(dòng)電路的電原理圖； 圖4是過熱保護(hù)電路的電原理圖； 圖5是過流保護(hù)電路的電原理圖； 圖6是多重?cái)夭úㄐ螆D。圖中各標(biāo)號(hào)為IGBT1 IGBT3、絕緣柵雙極型晶體管；Il 13、過流保護(hù)電路； Hl H3、過熱保護(hù)電路；QDl QD3、驅(qū)動(dòng)電路；Si、電流傳感器；Sv、電壓傳感器；D、續(xù)流二極管；VD、二極管；CO C3、電容；Rl R8、電阻；W、電位器；F、運(yùn)算放大器；Rt、熱敏電阻； FET、場效應(yīng)管；T、脈沖變壓器；L、平波電感。
具體實(shí)施例方式參看圖2，本發(fā)明的多個(gè)DC-DC斬波變換器均由IGBT、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路三部分組成。所有IGBT均接在電源和負(fù)載之間。DC-DC基本斬波變換器工作原理
DC-DC基本斬波變換器的變換原理是將直流電變化為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，通過改變功率器件的開關(guān)頻率，占空比來改變輸出直流電壓的大小。如果功率器件的導(dǎo)
通時(shí)間為‘，關(guān)斷時(shí)間為％，，則在
輸入電壓E恒定條件下，控制‘、的相對(duì)長短，便可控制輸出平均電壓U。的大小，實(shí)現(xiàn)無
損耗直流調(diào)壓。DC-DC基本斬波變換器一般為降壓型變換器。多重?cái)夭娐?br> 本發(fā)明在電源和負(fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC基本斬波變換器，圖2中設(shè)置了三個(gè)DC-DC基本斬波變換器，其總輸出電流為3個(gè)DC-DC基本斬波變換器輸出電流之和，脈動(dòng)頻率也為單個(gè)DC-DC基本斬波變換器的脈動(dòng)頻率的3倍。若要改變電路輸出的平均電壓可通過改變功率器件的導(dǎo)通時(shí)間T。n或開關(guān)頻率& 來實(shí)現(xiàn)，即斬波電路有脈寬調(diào)制和脈頻調(diào)制兩種控制方式，可以根據(jù)工作需要進(jìn)行選擇。根據(jù)三重?cái)夭娐返墓ぷ魈攸c(diǎn)，控制策略為3個(gè)功率器件的柵極加有周期為Τ、相位時(shí)間依次相差Τ/3、導(dǎo)通時(shí)間Τ。η相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。若要實(shí)現(xiàn)輸出電壓的脈寬調(diào)制控制，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬Τ。η即可；若要實(shí)現(xiàn)輸出電壓的脈頻調(diào)制控制，只需要改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率f。從圖6可以看出，3個(gè)電流的脈動(dòng)幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動(dòng)幅值變得很小。多重?cái)夭娐返目傒敵鲭娏鞯淖畲竺}動(dòng)率(即電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比)與相數(shù)的平方成反比，且輸出電流脈動(dòng)頻率提高，因此多重?cái)夭娐泛蛦蜗鄶夭娐废啾?，在輸出電流最大脈動(dòng)率一定時(shí)，所需平波電抗器的總重量大為減輕。此時(shí)，電源電流為各功率器件的電流之和，其脈動(dòng)頻率為單個(gè)斬波電路時(shí)的3倍，諧波分量比單個(gè)斬波電路時(shí)顯著減小， 且電源電流的最大脈動(dòng)率也是與相數(shù)的平方成反比。這使得由電源電流引起的感應(yīng)干擾大大減小，若需濾波，只需接上簡單的LC濾波器就可充分防止感應(yīng)干擾。多重化斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用，如果某一斬波單元發(fā)生故障，其余各單元可以繼續(xù)運(yùn)行，使得總體的可靠性提高。圖3是IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，其中T為脈沖變壓器，起隔離控制模塊與主電路的作用， R3為驅(qū)動(dòng)電路的柵極電阻，用于抑制驅(qū)動(dòng)時(shí)的浪涌電流，Q2和Q3構(gòu)成圖騰柱電路，用于可靠開通關(guān)斷高功率IGBT器件。由于是容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)門極電荷集聚還很敏感， 驅(qū)動(dòng)電路有一條低阻抗值的放電回路。用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電，門極控制電壓Ves有足夠陡峭的前后沿，使的IGBT的開關(guān)損耗非常小。另外IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源提供了足夠的功率使IGBT處于飽狀態(tài)。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中的正偏電壓+VGG為+15V +20V， 負(fù)偏壓-VGG為-IOV -2V。IGBT工作于高壓場合，驅(qū)動(dòng)電路與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。該驅(qū)動(dòng)電路簡單實(shí)用，具有IGBT自保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。大電感負(fù)載時(shí)，IGBT的關(guān)斷時(shí)間不會(huì)過短，限制了 di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。圖4為IGBT的過熱保護(hù)電路，IGBT的結(jié)溫與散熱器的溫度存在一定的給定關(guān)系， 所以可以在IGBT散熱片上安裝熱敏電阻Rt，通過CAPl的高低電平送給DSP進(jìn)行處理，進(jìn)而發(fā)出控制脈沖來關(guān)斷打開IGBT。Rt為具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，Vref為參考電壓。電路正常工作時(shí)，CAPl為高電平，DSP檢測到高電平不發(fā)出中斷脈沖；當(dāng)器件超過溫度極限時(shí)， 熱敏電阻阻值升高，CAPl輸出低電平，DSP檢測的低電平后，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，關(guān)斷IGBT， 使裝置退出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。圖5為IGBT的過流保護(hù)電路，正常工作條件下，當(dāng)IGBT門極信號(hào)為高電平時(shí)，Q4 截止，V。。經(jīng)R7、VD、IGBT放電；當(dāng)門極信號(hào)為低電平時(shí)，Q4導(dǎo)通，V。。經(jīng)R7、Q4放電。一旦出現(xiàn)均流故障，某一路IGBT的電流急劇增大，則IGBT上的壓降迅速升高，VD被截止，W上的壓降升高，使Q5導(dǎo)通，CAPO信號(hào)變?yōu)?，此信號(hào)傳輸?shù)紻SP的捕獲單元，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的輸出。本裝置的智能控制器主要由DSP+FPGA控制器、PWM產(chǎn)生、PID控制及多重邏輯保護(hù)構(gòu)成。用數(shù)字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn)， 有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過軟件程序的改變方便地調(diào)節(jié)控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件數(shù)目、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)可靠性。
本裝置的LC低通濾波器由平波電感L和電容CO組成，電流傳感器Si和電壓傳感器Sv將電源輸出端的電流和電壓反饋給智能控制器，形成閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)精確控制和保護(hù)。智能控制器將電流傳感器Si和電壓傳感器Sv采樣回來的電壓、電流與設(shè)定的電壓電流相比較，然后計(jì)算出觸發(fā)脈沖的占空比寬度，控制IGBT的觸發(fā)角度；對(duì)于每一路斬波單元來說，脈沖頻率為7KHz，三重化結(jié)構(gòu)輸出的頻率為21KHz，容量規(guī)格為 500A/600V, 3000A/600V。
權(quán)利要求
1.一種大容量多重化DC-DC電源，其特征是，它由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC斬波變換器、 智能控制器和LC低通濾波器組成，每個(gè)DC-DC斬波變換器均由IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路組成，多個(gè)DC-DC斬波變換器中的IGBT的漏極連接在一起后接輸入電壓，源極連接在一起后經(jīng)LC 低通濾波器接負(fù)載，每個(gè)IGBT的門極經(jīng)其驅(qū)動(dòng)電路與智能控制器連接，在LC低通濾波器與 IGBT之間設(shè)置有續(xù)流二極管(D)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大容量多重化DC-DC電源，其特征是，所述IGBT的驅(qū)動(dòng)電路由脈沖變壓器(T)、場效應(yīng)管(FET)、三個(gè)三極管、電阻、電容組成，第一三極管(Ql)串接在脈沖變壓器(T)的控制回路中，其基極經(jīng)第一電阻(Rl)接智能控制器的輸出端，所述場效應(yīng)管(FET)的柵極接脈沖變壓器(T)的脈沖信號(hào)輸出端，其漏極經(jīng)第二電阻(R2)接正偏電壓， 源極接負(fù)偏電壓，第二三極管(Q2)和第三三極管(Q3)接成圖騰柱電路，所述圖騰柱電路的輸入端接場效應(yīng)管(FET)的漏極，輸出端經(jīng)第三電阻(R3)接IGBT的門極，第一電容(Cl)和第二電容(C2)分別接在第二三極管(Q2)和第三三極管(Q3)的發(fā)射極與集電極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述大容量多重化DC-DC電源，其特征是，每個(gè)IGBT均設(shè)置有過熱保護(hù)電路，所述過熱保護(hù)電路由熱敏電阻(Rt)、運(yùn)算放大器(F)、電阻和電容組成，所述熱敏電阻(Rt)安裝在IGBT的散熱片上，所述運(yùn)算放大器(F)的同相輸入端經(jīng)第四電阻 (R4)接參考電壓，輸出端接智能控制器的CAPl端；第五電阻(R5)與熱敏電阻(Rt)接成串聯(lián)分壓電路后接電源電壓，它們串接點(diǎn)的輸出信號(hào)經(jīng)由第六電阻(R6)和第三電容(C3)組成的RC濾波器接運(yùn)算放大器(F)的反相輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述大容量多重化DC-DC電源，其特征是，每個(gè)IGBT均設(shè)置有過流保護(hù)電路，所述過流保護(hù)電路由兩個(gè)三極管、電位器(W)、二極管(VD)和電阻組成，第四三極管(Q4)接成共射極放大電路，第七電阻(R7)是其集電極負(fù)載，第四三極管(Q4)的基極接 IGBT的門極，集電極經(jīng)二極管(VD)接IGBT的漏極并經(jīng)電位器(W)接地，第五三級(jí)管(Q5) 的發(fā)射極接地，基極接電位器(W)的滑動(dòng)端，集電極接智能控制器的CAPO端并經(jīng)第八電阻 (R8)接電源正極。
全文摘要
一種大容量多重化DC-DC電源，屬電源技術(shù)領(lǐng)域。其技術(shù)方案是，它由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC斬波變換器、智能控制器和LC低通濾波器組成，每個(gè)DC-DC斬波變換器均由IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路組成，多個(gè)DC-DC斬波變換器中的IGBT的漏極連接在一起后接輸入電壓，源極連接在一起后經(jīng)LC低通濾波器接負(fù)載，每個(gè)IGBT的門極經(jīng)其驅(qū)動(dòng)電路與智能控制器連接，在LC低通濾波器與IGBT之間設(shè)置有續(xù)流二極管。本裝置不僅可滿足多晶硅生產(chǎn)、制氫、電解、電鍍等領(lǐng)域?qū)﹄娫垂β实囊?，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、制作方便、穩(wěn)壓穩(wěn)流效果好、可靠性高、不產(chǎn)生環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102290988SQ20111025511
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者劉會(huì)軍, 王銳, 范好亮, 范建波 申請(qǐng)人:保定市紅日電氣有限公司