普尔世电源在晶炉控制系统中的直流不间断冗余应用.docx
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普尔世电源在晶炉控制系统中的直流不间断冗余应用.docx
普尔世电源在晶炉控制系统中的直流不间断冗余 应用摘要: 本案例中,普尔世直流电源和DC UPS冗余方案在单晶炉和 多晶炉控制系统中的成功应用使用户避免了严重的经济损失,并从繁琐的 人工日常监控中解放出来,获得了用户的高度认可与衷心赞誉。关键字: 普尔世,直流电源,DC UPS冗余方案,半导体材料一、行业现状当前太阳能的大规模应用推动光伏行业整体向前发展,同时,LED技 术又刮起了一股新能源节能风。随着砷化镓在光伏太阳能产业、光电子领 域、微电子领域以及军事电子领域的应用日益广泛,生产砷化镓晶棒的晶 炉控制系统愈发起到举足轻重的作用。在此基础上,如何保障对温度条件 要求苛刻的晶炉安全持续生产,如何为整个控制系统选择合适又可靠的供 电配置显得至关重要。本案例中,普尔世直流电源和口 DC UPS冗余方案在单 晶炉和多晶炉控制系统中的成功应用使用户避免了严重的经济损失,并从 繁琐的人工日常监控中解放出来,获得了用户的高度认可与衷心赞誉。二、基于晶炉控制系统的方案1.问题描述本方案中,客户是以砷化镓、错等半导体材料的生产、销售为主营的 高科技企业。这些半导体材料是太阳能、LED、微电子等行业不可或缺的原 材料。单晶炉内晶体生长是整个生产中的最关键的工艺。每个砷化镓晶体 在炉内的生长周期长达46天,生长过程中炉内温度通过控制器调控以阶 梯方式增长。在此周期中,一旦对控制器的直流供电中断,控制器的设定 温度就会复位到起始值,导致炉内实际温度与晶体生长所需温度无法匹配, 致使石英单晶炉或多晶炉内的温度发生不规则变化,进而可能导致晶炉中 正在生长的砷化镓晶体报废,甚至会引起炉内温度过高,使得石英炉体膨 胀而报废。其整个过程将造成砷化镓晶体、石英炉炉体、时间、电力以及 人工成本等近百万元的经济损失。客户曾经发生过几次停电事故,起因是 控制系统前端的AC UPS因本身质量问题而使输出供电中断,引起对控制 器的直流供电回路中断进而导致控制系统失控。AC UPS系统的体积大,输OutputAC UPSOuilpuCDC Power SupplyInputController出干扰强,故障率高等附带缺点也为客户造成了很大的困扰。如图1为原 交流UPS供电方案。来源:大比特半导体器件网汽讪:|峪XN L PE 和U交肮摘入N L PE L图1交流如§供电方案接线图F综上所述,用户原供电方案的问题可总结为:1)原方案只是针对市电断电有所准备,但是一旦AC UPS 本身发生故 障,会使其后单路连接的控制器的直流供电中断,进而导致全部控制系统 瘫痪;来源:大比特半导体器件网2)由于AC UPS很难做到绝对的零切换”,市电断电时,需要一定的 切换时间,而如果后续直流电源没有一定的缓冲能力,会造成对控制器的 供电不够稳定;来源:大比特半导体器件网3)如果AC UPS 的输出干扰无法被后续的直流电源有效屏蔽,可能引 起控制器的错误关断或其它误动作;来源:大比特半导体器件网4)AC UP S附带的电池体积庞大,因此整个供电系统只能放置在晶炉柜 外,除了安装非常不方便,其内置风扇还会造成噪声污染。2.需求分析基于以上种种弊端,普尔世向用户建议在既有的双路交流输入的基础 上,使用稳定、高可靠性的直流电源和DC UP S,为相应负载提供稳定不间 断的输入。因为双路冗余DC UPS无论是在系统外市电缺失的情况下还是 其本身发生故障,都能够保证自动切换至电池为其后的电路供电,在本方 案中即为晶炉控制器供电,从而使控制器完成最后一次工作然后关机,并 按要求进行软硬件通讯,发送相应信号到上位机,方便工作人员及时发现 和解决回路问题,以此来有效地保护炉体设备不受意外断电的影响。此外,客户还希望电源和DC UPS能够安装于专门的空间有限的晶炉 控制柜内,这就对冗余系统的体积也做了一定的要求。3. 方案确定目前普尔世电源给客户提供的产品包括CS10.244 、UB10.241 和YR2.DIODE 。CS10.244 是 输出为24V 的直流电源,最大额定负载为10A; UB10.241 为直流不间断电源,输出为10A,24V;YR2.DIODE 是双路10A 二极管冗余解耦模块,能够有效隔离冗余的电源,彻底避免输出回路间的 耦合,实现真正的冗余备用功能。电源,DC UPS,冗余模块三者构成了最 高可靠性的直流回路。以下是普尔世电源产品,图2为CS10.244, 输出为 24V10A 电源,图 3 为 UB10.241 ,输出为 24V,10A DC UPS。图 2 CS10.244图 3 UB 10.241整个直流供电系统还需要配备两块铅酸电池(12V/12Ah),以及为DC UPS配备信号通讯系统。铅酸电池用来在主回路断电时为DC UPS供电;信 号通讯系统则用来告知客户在各个使用情况下的回路状态,以便对故障电 路做出第一时间报警。来源:大比特半导体器件网图4是普尔世为客户提供的解决方案接线图。图中绿灯亮则表示系 统主回路供电正常,DC UPS回路正常;红灯亮则表明直流UPS处于电池 供电缓冲模式;红灯亮则表示电池本身质量测试不通过,需要更换电池。PUIS 普尔世电ti囹4典型的双冗余系统接戏朝由上述方案的选定,再结合用户的原方案对比可知,PULS普尔世为用 户提供的新方案可以解决以下问题:来源:大比特半导体器件网1)不管是市电断电还是双路冗余的DC UPS其中一路本身发生故障, 都能够切换到电池,持续为其后连接的控制器进行直流供电,并及时作出 报警,便于相关人员采取一定措施,避免造成损失;2)市电断电时,由于是直流电源切换到电池,中间不会产生停顿,真 正做到U “零切换”时间,使其对控制器的供电足够稳定;3)直流输出的干扰相对较小,不易引起控制器的错误关断或其它误动 作;来源:大比特半导体器件网4)不仅其附带电池体积小,而且整个供电系统的体积总和也十分小 巧,放置在狭窄的晶炉柜内非常合适,降低了接线的复杂度,免除了不必 要的安装麻烦。来源:大比特半导体器件网4. 普尔世电源的综合优势在本案例中,普尔世的直流不间断冗余系统还具有一些独特的优势, 因此也为用户带来了更多的便利。来源:大比特半导体器件网通常的直流不间断电源在缓冲模式(即电网断电由电池供电的状态)下, 输出电压会随着电池的放电而降低,整个放电过程中电压变化可能超过几 伏,在最后的约五分之一时间里的电压还可能低于20伏(如下图5),并且 也无法很好的满足负载的峰值电流需求。而根据工业控制器标准(PLC标 准)EN 61131 -2,要求工业控制器可耐受的电压暂降不得超过10ms,电压最 低能降到20.4Vdc,因此普通的电池如长期未经维修或更换,可能无法起到 可靠的保障作用。来源:大比特半导体器件网基于这个原因,普尔世特别在技术方面设计做到了在缓冲模式下的直 流不间断电源UB10.241 能够输出稳定的电压,保持恒定的输出电压22. 5V(如图6),同时具有4秒内的50%额外功率,即在保持电压的条件下, 可以输出150%的额定电流,使负载能够正常工作,尤其是像晶炉控制器这 样关键的重要负载。4.2优秀的电池管理技术普尔世精确的电池管理技术能够避免电池过充、欠充或深度放电,有 效地延长电池的使用寿命。来源:大比特半导体器件网熟悉电池管理的人都知道,在一定环境温度下,电池有一定的满充电 压,与该满充电压完全一致时,电池可以达到最长的使用寿命。传统的双 电池串联充电方案由于电池特性不尽相同,很容易造成其中某一电池的过 充或欠充(如图7)。而普尔世电源的DC UPS独有的单电池供电方案,只需 要对单个电池充电和管理(如图8),能更准确地监测充电截止电压以保护电 池,延长其使用寿命,为用户节约大量维护及更换的成本。般Irft 24 V fl流不间断电源电池充放电管理27.3 V十12V铅酸荀电海过充图7 一般的电池充电系统tO tl t2 t3Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4图8 PULS电池充电系统另外,普尔世DC UPS可以根据现场的环境温度设定满充电压,电池 相应被充电至该电压,保证电池最优的使用寿命。尽管如此,普尔世 DC UPS也可以选配其它厂家电池,用户不会因此受到电池品牌限制的困扰。普尔世电源产品都有很强的过载能力以及保护能力。例如,普尔世电 源具有短路保护,过温保护,过载保护和过压保护等能力。DC UPS除此之 外还具有电池极性反向保护,错误电池电压保护,电池深度放电保护的功 能。其中输出过压保护能预防对负载产生大电压冲击,保护负载免受伤害, 尤其是控制器等关键负载。因此,不仅能够保证电源本身的使用寿命,对 用户方的设备和操作人员亦可进行全方面的保护。4.4卓越的电源综合特性在市场上以产品特点“简约、强劲、稳健、高效”而著称的普尔世电源, 其优势还在于其电源本身高技术含量的综合性能。以本案例中的CS10.244 为例:其重量仅为700g,转换效率达到91.3%(输入230V AC,输出24V, 10A);更为重要的是它以60*124 *117 mm 的灵巧尺寸,不仅能够顺利地置入 狭窄的晶炉控制柜,降低接线的复杂度,甚至还节省出更多的空间;其独特 而卓越的系统散热可以增强内部零件的使用寿命,提高产品的转换效率与 可靠性,从电能利用率和后期维护角度为客户节约了不容忽视的成本;它本 身超过15年(输入230V,输出24V,10A,环境温度为25 °C )的预期使用寿 命,又能够大大增加了用户更换的周期。此外,CS10.244的使用环境温度 为0 C 70 C,60 C以上才需要适当降额。综合看来它是一款足以适应各种 恶劣复杂应用环境的高可靠电源产品。来源:大比特半导体器件网三、总结普尔世电源的卓越技术,高可靠性,高效率,强大的输出能力,配套 电池的长寿命,最快捷的更换维修时效,最优质的服务不但能为客户带来 最稳定的电力输出,最高的可用性以及方便的后期维护性,也为客户带来 了最满意的使用效果。来源:大比特半导体器件网普尔世电源是一家专业生产DIN导轨式工控电源的德国公司,在导轨 式工控电源市场具有先进的生产研发技术和领先的全球市场份额。在中国 的产业升级和出口复苏的大环境下,作为世界公认的工控电源领域的技术 领袖,普尔世电源时刻密切关注国内整体行业的走向,并全力支持国内的 工控行业的技术升级。