三相大功率低電壓大電流的高頻逆變整流裝置及其方法

2023-05-08 16:09:26 1

專利名稱：三相大功率低電壓大電流的高頻逆變整流裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠產生低電壓大電流，且輸出電壓或電流均可調節的大功率高頻逆變整流裝置及其方法，為電鍍，氧化，電解，電泳，冶煉，石英加熱及提煉單晶矽等電化學處理提供高效的直流電源。
背景技術：
隨著電子行業的飛速發展，更多以電子技術為依託的領域開始加大對單晶矽的需求。作為單晶生長過程中提供熱源的主要設備-大功率單晶矽直流加熱電源，也因此得到了更加廣泛的應用，但同時也對單晶矽加熱電源的實時性、智能性及可靠性提出了更高的要求。傳統的大功率單晶矽直流加熱電源主要採用變壓器和可控矽降壓，然後再通過整流獲得低壓大電流電源，傳統的可控矽電源存在效率低、功率因數低、輸出電壓紋波大、穩定性較差等問題。本發明提出三相大功率低電壓大電流的高頻逆變整流裝置採用高壓逆變技術，獲得了低電壓大電流直流電源，提高了電能轉換效率，且電源具有較高功率因數和較高的效率，電源整體節能效果明顯，其輸出的能量可直接為單晶爐內的石墨加熱器供熱，控溫精度高，可以滿足單晶在生長階段對溫度控制的嚴格要求。

發明內容
本發明所要解決的技術問題如何利用高壓逆變技術，提高電能轉換效率，為單晶爐內的石墨加熱器供熱。為解決上述技術問題，本發明提供了一種三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，包括三相熔斷器、平波電抗器、三相整流電路、濾波電路、逆變電路、高頻變壓器、全波整流電路、大電流濾波電路、電壓電流採集電路和逆變控制電路；三相熔斷器的三個輸入端分別與三相交流電源串聯連接，三相熔斷器的三個輸出端分別與平波電抗器的三個輸入端串聯連接；平波電抗器的三個輸出端分別與三相整流電路的三個輸入端連接；三相整流電路的輸出端與濾波電路的輸入端連接；濾波電路的輸出端並聯在逆變電路的兩端；逆變電路的輸出端與高頻變壓器的輸入端連接；高頻變壓器的三個輸出端分別與全波整流電路的輸入端連接；全波整流電路的輸出端與大電流濾波電路的輸入端連接；電壓電流採集電路的電流採集端串聯在大電流濾波電路的輸出端，同時電壓採集端並聯在大電流濾波電路的輸出端；電壓電流採集電路的輸出端與逆變控制電路的輸入端連接；逆變控制電路的輸出端與逆變電路的控制端連接。平波電抗器鐵心為非晶合金材料。濾波電路由電抗器和電容組成，電抗器鐵心採用非晶合金材料。逆變電路由四隻IGBT開關管組成，構成H型橋式電路。高頻變壓器的鐵心材料採用鐵氧體，二次繞組為空心銅管或鋁管，循環冷卻水可以通過空心的銅管或鋁管，高頻變壓器輸出端為中間帶抽頭的三端輸出的變壓器，輸出功率180KW，輸出電壓為0-60VDC可調，頻率6_8KHz。
全波整流電路由兩組快恢復二極體組組成，每個快恢復二極體組由10隻快恢復二極體並聯構成。大電流濾波電路由電抗器和電容組成，電抗器鐵心採用非晶合金材料，電抗器繞組採用空心銅管或鋁管。 逆變控制電路通過採集三相大功率高頻逆變整流裝置的輸出端電壓和電流計算出輸出功率，當輸出電壓、電流或功率與要求電壓、電流或功率不相符合時可以通過控制逆變電路的工作頻率或方波佔空比來自動調節輸出電壓、電流或功率，達到自動跟蹤穩定輸出電壓、電流或功率，使電源端具有恆電壓、恆電流或恆功率輸出，逆變控制電路的PWM輸出頻率為6-8KHZ，且佔空比可調。逆變控制電路由鍵盤電路、顯示電路、微處理器、IGBT驅動電路和電源電路組成， 鍵盤電路、顯示電路和IGBT驅動電路分別與微處理器的I/O 口連接；電源電路與微處理器的電源端連接；電壓電流採集電路的電壓採集輸出端與微處理器的A/D 口連接，電壓電流採集電路的電流採集輸出端與微處理器的另一 A/D 口連接。電壓電流採集電路的電壓採集採用電阻分壓採集裝置輸出端電壓，分壓電阻並聯在裝置輸出端，測量輸出端負載工作電壓；電壓電流採集電路的電流採集採用分流器採集裝置輸出端電流，分流器串聯在裝置輸出迴路中，測量輸出端負載電流。本發明具有積極的效果(I)本發明的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置中，電源輸入端直接採用高壓整流技術獲得較高的直流電源，為逆變電路提供直流電源，這樣可以提高電源輸入端的功率因數。(2)本發明的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置，採用高壓逆變技術，利用閉環控制，使直流電源具有恆電壓、恆電流或恆功率輸出功能。
(3)本發明的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置，電抗器均採用非晶合金材料，鐵損是普通電抗器的1/5，具有明顯節能效果。


圖I為實施例I的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置結構圖。圖2為實施例I的逆變控制電路原理結構圖。
具體實施例方式見圖I、圖2所示，本實施例的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置，包括三相熔斷器I、平波電抗器2、三相整流電路3、濾波電路4、逆變電路5、高頻變壓器6、全波整流電路7、大電流濾波電路8、電壓電流採集電路9和逆變控制電路10 ;三相熔斷器I的三個輸入端分別與三相交流電源串聯連接，三相熔斷器I的三個輸出端分別與平波電抗器2的三個輸入端串聯連接；平波電抗器2的三個輸出端分別與三相整流電路(3)的三個輸入端連接；三相整流電路3的輸出端與濾波電路4的輸入端連接；濾波電路4的輸出端並聯在逆變電路5的兩端；逆變電路5的輸出端與高頻變壓器6的輸入端連接；高頻變壓器6的三個輸出端分別與全波整流電路7的輸入端連接；全波整流電路7的輸出端與大電流濾波電路 8的輸入端連接；電壓電流採集電路9的電流採集端串聯在大電流濾波電路8的輸出端，同時電壓採集端並聯在大電流濾波電路8的輸出端；電壓電流採集電路9的輸出端與逆變控制電路10的輸入端連接；逆變控制電路10的輸出端與逆變電路5的控制端連接。
平波電抗器2鐵心為非晶合金材料，磁飽和密度大，鐵損損耗低，主要用於消除湧流和諧波，以防止瞬間大電流對電網、熔斷器和開關的衝擊。濾波電路4由電感和電容組成，電感鐵心採用非晶合金材料，磁飽和密度大，鐵損損耗低，濾波電路4主要消除三相整流電路對交流整流後產生的脈動，使直流輸出更平滑。逆變電路5由四隻IGBT開關管組成，構成H型橋式電路，IGBT開關管帶有驅動和保護功能。高頻變壓器6的鐵心材料採用鐵氧體，二次繞組為空心銅管或鋁管，循環冷卻水可以通過空心的銅管或鋁管，高頻變壓器6輸出端為中間帶抽頭的三端輸出的變壓器，輸出功率180KW。全波整流電路7由兩組快恢復二極體組組成，每個快恢復二極體組由10隻快恢復二極體並聯構成。大電流濾波電路8由電抗器和電容組成，電抗器鐵心採用非晶合金材料，電抗器二次繞組採用空心銅管或鋁管，大電流濾波電路8主要消除全波整流電路7產生的高頻脈動，使直流輸出更平滑。逆變控制電路10通過採集三相大功率高頻逆變整流裝置的輸出端電壓和電流計算出輸出功率，當輸出電壓、電流或功率與要求電壓、電流或功率不相符合時可以通過控制逆變電路5的工作頻率或方波佔空比來自動調節輸出電壓、電流或功率，達到自動跟蹤穩定輸出電壓、電流或功率，使電源端具有恆電壓、恆電流或恆功率輸出，逆變控制電路10的 PWM輸出頻率為6-8KHz，且佔空比可調。逆變控制電路10由鍵盤電路10-1、顯示電路10-2、微處理器10-3、IGBT驅動電路 10-4和電源電路10-5組成，鍵盤電路10-1、顯示電路10-2和IGBT驅動電路10_4分別與微處理器10-3的I/O 口連接；電源電路10-5與微處理器10-3的電源端連接；電壓電流採集電路9的電壓採集輸出端與微處理器10-3的A/D 口連接，電壓電流採集電路9的電流採集輸出端與微處理器10-3的另一 A/D 口連接。電壓電流採集電路9的電壓採集採用電阻分壓採集裝置輸出端電壓，分壓電阻並聯在裝置輸出端，測量輸出端負載工作電壓；電壓電流採集電路9的電流採集採用分流器採集裝置輸出端電流，分流器串聯在裝置輸出迴路中，測量輸出端負載電流。本實施例三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置的工作原理和過程如下將三相交流380VAC電源接入裝置的輸入端，在三相交流電源輸入端與三相整流電路之間分別串聯有三個熔斷器和電抗器，熔斷器主要用於保護裝置短路、過載時出現大電流而進行過流保護，電抗器主要用於濾除湧流、電流諧波防止電流突變對電網、開關和熔斷器的衝擊，380VAC交流電壓通過三相整流電路3整流後獲得近410V左右的直流電壓，由於直接整流後直流電壓脈動較大，為了消除電壓脈動，採用濾波電路4進行平波，為逆變電路5提供較為穩定的直流電源，通過逆變控制電路10輸出的PWM波控制逆變電路5的4個橋式連接IGBT開關管的開斷頻率和佔空比，在逆變電路5的輸出端輸出一定頻率和佔空比的波形，波形峰值電壓±410V，頻率為6-8KHz，功率180KW，為提高整機可靠性，所以將IGBT 開關管的頻率限制在IOKHz以內，逆變電路5輸出端輸出的高頻交流電壓通過降壓式高頻變壓器6，將獲得電壓較低的交流電壓70VAC，為了減少全波整流電路7中整流管數量，高頻變壓器6為帶有中間抽頭的三個輸出端，這樣通過全波整流電路7中兩組整流管獲得直流電壓，由於直接整流後直流電壓脈動較大，為了消除電壓脈動，採用大電流濾波電路8獲得較為平滑穩定的大功率180KW，低電壓60VDC，大電流3000A電源，為電加熱設備(電鍍，氧化，電解，電泳，冶煉，石英加熱及提煉單晶矽等)提供直流電源，為了使電源輸出端具有恆定的電壓、電流和功率輸出，通過電壓電流採集電路9採集電源輸出的電壓和電流值，再後傳送給逆變控制電路10，通過逆變控制電路10再來調節逆變電路5開關管(IGBT) PWM波的頻率和佔空比，來改變電源輸出端的電壓、電流和功率。
權利要求
1.三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，包括三相熔斷器(I)、平波電抗器(2)、三相整流電路(3)、濾波電路(4)、逆變電路(5)、高頻變壓器￠)、全波整流電路(7)、大電流濾波電路(8)、電壓電流採集電路(9)和逆變控制電路(10);三相熔斷器(I)的三個輸入端分別與三相交流電源串聯連接，三相熔斷器(I)的三個輸出端分別與平波電抗器(2)的三個輸入端串聯連接；平波電抗器(2)的三個輸出端分別與三相整流電路(3)的三個輸入端連接；三相整流電路(3)的輸出端與濾波電路(4)的輸入端連接； 濾波電路(4)的輸出端並聯在逆變電路(5)的兩端；逆變電路(5)的輸出端與高頻變壓器(6)的輸入端連接；高頻變壓器(6)的三個輸出端分別與全波整流電路(7)的輸入端連接； 全波整流電路(7)的輸出端與大電流濾波電路⑶的輸入端連接；電壓電流採集電路(9) 的電流採集端串聯在大電流濾波電路(8)的輸出端，同時電壓採集端並聯在大電流濾波電路⑶的輸出端；電壓電流採集電路(9)的輸出端與逆變控制電路(10)的輸入端連接；逆變控制電路(10)的輸出端與逆變電路(5)的控制端連接。
2.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，平波電抗器(2)鐵心為非晶合金材料。
3.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，濾波電路⑷由電感和電容組成，電感鐵心採用非晶合金材料。
4.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，逆變電路(5)由四隻IGBT開關管組成，構成H型橋式電路。
5.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，高頻變壓器￠)的鐵心材料採用鐵氧體，二次繞組為空心銅管或鋁管，循環冷卻水可以通過空心的銅管或鋁管，高頻變壓器(6)輸出端為中間帶抽頭的三端輸出的變壓器，輸出功率180KW。
6.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，全波整流電路(7)由兩組快恢復二極體組組成，每個快恢復二極體組由10隻快恢復二極體並聯構成。
7.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，大電流濾波電路⑶由電抗器和電容組成，電抗器鐵心採用非晶合金材料，電抗器繞組採用空心銅管或鋁管。
8.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，逆變控制電路(10)通過採集三相大功率高頻逆變整流裝置的輸出端電壓和電流計算出輸出功率，當輸出電壓、電流或功率與要求電壓、電流或功率不相符合時可以通過控制逆變電路(5)的工作頻率或方波佔空比來自動調節輸出電壓、電流或功率，達到自動跟蹤穩定輸出電壓、電流或功率，使電源端具有恆電壓、恆電流或恆功率輸出，逆變控制電路(10) 的PWM輸出頻率為6-8KHz，且佔空比可調。
9.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，逆變控制電路(10)由鍵盤電路(10-1)、顯示電路(10-2)、微處理器(10-3)、IGBT驅動電路(10-4)和電源電路(10-5)組成，鍵盤電路(10-1)、顯示電路(10-2)和IGBT驅動電路(10-4)分別與微處理器(10-3)的I/O 口連接；電源電路(10-5)與微處理器(10_3)的電源端連接；電壓電流採集電路(9)的電壓採集輸出端與微處理器(10-3)的A/D 口連接，電壓電流採集電路(9)的電流採集輸出端與微處理器(10-3)的另一 A/D 口連接。
10.如權利要求I所述的三相大功率低壓大電流高頻逆變整流裝置及其方法，其特徵在於，電壓電流採集電路(9)的電壓採集採用電阻分壓採集裝置輸出端電壓，分壓電阻並聯在裝置輸出端，測量輸出端負載工作電壓；電壓電流採集電路(9)的電流採集採用分流器採集裝置輸出端電流，分流器串聯在裝置輸出迴路中，測量輸出端負載電流。
全文摘要
本發明公開了一種三相大功率低電壓大電流的高頻逆變整流裝置及其方法，包括三相熔斷器、平波電抗器、三相整流電路、濾波電路、逆變電路、高頻變壓器、全波整流電路、大電流濾波電路、電壓電流採集電路和逆變控制電路；採用高壓逆變技術，獲得了低電壓大電流直流電源，提高了電能轉換效率，且電源具有較高功率因數和較高的效率，電源整體節能效果明顯，其輸出的能量可直接為電泳，冶煉，石英加熱及提煉單晶矽等電化學處理提供高效的直流電源，尤其是為單晶爐內石墨加熱器供熱，滿足單晶在生長階段對溫度控制的嚴格要求。
文檔編號H02M7/04GK102611329SQ20111002519
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者王敏慧, 黃磊 申請人:江蘇清能電源有限公司