CN102820791A

CN102820791A - 节能型晶体生长高频电源装置

Info

Publication number: CN102820791A
Application number: CN2011101516201A
Authority: CN
Inventors: 徐永亮; 汪海波; 石勇; 冯广义; 赵永群
Original assignee: XI'AN AIKE ELECTRONICS CO Ltd; ZHEJIANG YUNFENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XI'AN AIKE ELECTRONICS CO Ltd; ZHEJIANG YUNFENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明是一种节能型晶体生长高频电源装置。它具有一个由三相整流桥(1)、输入端LC滤波器(2)、高频逆变桥(3)、高频变压器(4)、高频整流器(5)和输出端LC滤波器(6)连接构成的主变换电路，它还具有一个反馈控制电路，其改进点是所述的高频变压器(4)是一个通过在其原边或副边绕组中增加中心抽头和变比变换开关而形成的一个可变变比高频变压器，并增设占空比检测电路和占空比判定电路。当电源工作在等径拉晶阶段时，如果占空比小于50％，则电源自动改变高频变压器的变比，然后再通过反馈控制电路的自动调节，使占空比重新达到50％以上。经检测，本电源装置在等径拉晶阶段的工作效率提高到93％，达到了节能的目的。

Description

节能型晶体生长高频电源装置

技术领域

本发明涉及一种AC-DC高频电源装置，特别是一种节能型晶体生长高频电源装置。

背景技术

目前，单/多晶硅、蓝宝石等新型材料的制备通常采用直拉法在晶体炉中拉晶生长成型，其制备过程分为高温化料和等径拉晶两个阶段，这两个阶段都需要用一台大功率直流电源来为晶体炉加热，因此，电源效率的高低就成为晶体制备过程是否节能的关键。

现有用于晶体炉加热的直流电源主要分为两类，一类是可控硅整流电源，如中国专利200910059542，一类是高频电源，可控硅整流电源采用可控硅对工频整流的方式提供直流电，而高频电源则采用高频逆变方式将工频逆变成高频，再将高频整流和滤波变成直流而为负载供电，其中它通过负反馈控制环路控制输出相应占空比的脉宽调制信号，从而控制输入端传递到输出端的能量，保证输出电压始终跟随设置值而保持不变。高频电源与可控硅整流电源相比具有以下几个特点：1)高频变压器体积小，耗铜耗铁量小，成本低廉，符合绿色环保主潮流；2)效率比可控硅电源略高；3)输出波形质量好，有利于延长加热器寿命；4)功率因数高，无需无功补偿装置。因此，高频电源取代可控硅整流电源是必然趋势。

普通的高频电源常以额定输出电压满载荷的工作效率作为电源效率指标。但就晶体生长而言，需要电源满载负荷工作的高温化料时间只为4-5个小时，而需要电源半载负荷工作的等径拉晶时间却长达20-25个小时，因此，只衡量电源的满载效率显然是不够的，其半载负荷的工作效率也很重要的，但目前用于晶体炉加热的高频电源其满载荷的效率都能达到95％，而半载荷的效率只有80％左右，难以满足低碳节能的需要。

发明内容

本发明的目的是针对普通高频电源在半载荷工况效率低下的问题，提供一种节能型晶体生长高频电源装置，使其在半载荷工况下同样具有较高的工作效率，从而到达节能之目的。

根据高频电源在晶体生长二个阶段工作状态的实验观察，在高温化料阶段，它为全电压满载荷输出，并工作在大占空比逆变的条体下；而在等径拉晶阶段，电源为半电压半载荷输出，常工作在小占空比逆变的条件下。现有的理论和实验都证明：高频电源工作在大占空比条件下时的工作效率比小占空比工作效率高。因此，提高半电压输出时的占空比是改善半载荷工作效率的有效途径。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：

它具有一个由三相整流桥、输入端LC滤波器、高频逆变桥、高频变压器、高频整流器和输出端LC滤波器连接构成的主变换电路，它还具有一个反馈控制电路，该反馈控制电路包括一个电压误差运算电路和电流误差运算电路及占空比控制芯片，其改进之处是：所述的高频变压器是一个通过在其原边或副边绕组中增加中心抽头和变比变换开关而形成的一个可变变比高频变压器，在所述高频变压器中还增设占空比采集绕组，所述的占空比采集绕组与一个占空比检测电路的输入端相接，该占空比检测电路的输出端和一个占空比给定端一起接入一个占空比判定电路的输入端，所述占空比判定电路的输出端通过一个逻辑控制电路与所述变比变换开关的控制端相接。

本发明进一步改进的技术方案如下：

所述的占空比检测电路由整流桥、整形电路、D触发器和一个积分电路连接构成。

在所述的占空比检测电路和占空比判定电路之间设有一个滤波电路，所述占空比检测电路输出的检测信号u_d通过该滤波电路的滤波后送入所述的占空比判定电路。

通过上述技术方案可以看出，本发明将高频变压器改变成一个变比可变的高频变压器，并增加了占空比检测和比较判定电路。当电源工作在半载荷工况时，如果占空比检测电路测得占空比小于50％，则电源装置立即改变高频变压器的变比，并通过反馈控制电路的自动调节，使占空比重新达到50％以上。经检测，本发明在半载荷工况的工作效率提高到93％，达到了节能的目的。

附图说明

图1是本发明的原理方框图。

图2是实施例1的主变换电路原理图。

图3是实施例1的反馈控制电路原理图。

图4是实施例1的占空比检测电路原理图。

图5是实施例1的滤波电路、占空比判定电路和逻辑控制电路的原理图。

图6是实施例2的主变换电路原理图。

图7是实施例2的滤波电路、占空比判定电路和部分逻辑控制电路的原理图。

图8是实施例2的变比变换开关逻辑控制电路原理图之一。

图9是实施例2的变比变换开关逻辑控制电路原理图之二。

具体实施方式

下面根据实施例详细说明本发明的结构和工作原理。

实施例1

参见图1、2，本电源装置具有一个由三相整流桥1、输入端LC滤波器2、高频逆变桥3、高频变压器4、高频整流器5和输出端LC滤波器6连接构成的主变换电路。

参见图1、2、3，本电源装置还具有一个反馈控制电路，该反馈控制电路具有一个电压误差运算电路7，它将所采集的输出端电压u_O与给定电压u_OG进行减法运算，其输出的误差值作为给定电流i_G送入电流误差运算电路8；所述的电流误差运算电路8将所采集的输出端电流i_L与给定电流i_G进行减法运算，其误差值作为反馈控制信号u_ctrl送入占空比控制芯片9；所述的占空比控制芯片9根据该反馈控制信号u_ctrl产生相应占空比的脉宽调制信号PWM，该PWM信号通过变压器T2、T3送入高频逆变桥3的开关控制端，从而控制逆变开关S1-S4的导通时间，也就是控制高频变压器4原边传递到副边的能量大小，最终使输出电压始终跟随给定值保持不变。

再参见图2，为了实现高频变压器4的变比变换，在所述的高频变压器4的原边绕组上设置了一个中心抽头，该中心抽头通过变比变换开关S11并接在原边绕组的正端上。

参见图1、2、4、5，为了实现占空比的检测，在所述高频变压器4中还增设有占空比采集绕组TRC。所述占空比采集绕组TRC的两个输出端头TRC1、TRC2与一个占空比检测电路10输入端相接；该占空比检测电路10由整流桥10-1、整形电路10-2、D触发器10-3和一个积分电路10-4连接构成；从占空比采集绕组TRC采集的占空比信号经过整流、脉冲整形后送入D触发器的置位端S和复位端R，经过D触发器和积分电路转换成一个相应的电压信号u_d送入占空比判定电路11，该占空比判定电路11是一个电压比较器；为了提高占空比判定的抗干扰能力，在所述的占空比检测电路10和占空比判定电路11之间设有一个滤波电路13，所述占空比检测电路输出的检测信号u_d通过该滤波电路的滤波后送入占空比判定电路11的负输入端，同时，一个占空比给定信号u_dG送入占空比判定电路11的正输入端，如果占空比大于50％，即检测信号u_d大于给定信号u_dG，占空比判定电路11输出高电平，反之，输出低电平；所述的逻辑控制电路12由驱动器12-1、光电隔离器12-2和一个分压电阻R14连接构成，占空比判定电路11输出的判定信号经过驱动隔离和分压，输出两个控制信号KC、KG加到图2中变比变换开关S11的栅极和源级，从而控制S11的导通与截止。

本电源装置的工作过程是：在化料阶段，380V交流电经过三相整流、LC滤波变成直流，再经过高频逆变变成高频交流，再经过高频变压器4的耦合，输出一个降压的高频交流，降压的高频交流经过高频整流和输出端LC滤波变成直流，为负载R供电，同时，反馈控制电路通过对反馈电压u_O和反馈电流i_L与给定值的误差运算产生相应占空比的脉宽调制信号PWM，从而控制电源电压输出的大小，使电源的输出电压始终跟随给定值保持不变；在此阶段，电源工作在满载荷工况，其占空比大于50％，则占空比判定电路11输出高电平，该高电平通过驱动隔离和分压变换后，输出高电平KC、KG信号加到变比变换开关S11的栅极和源级，使其导通，这时，高频变压器4的变比为原设计变比。在进入等径拉晶阶段时，系统改变给定电压u_OG，使其电压值降低为一半，通过上述反馈控制电路的反馈调节，输出电压也跟随给定电压降低为一半，此时，电源工作在半载荷工况，在此期间，如果占空比检测电路10检测到占空比小于50％，则占空比判定电路11输出低电平，KC、KG信号也为低电平，该低电平使变比变换开关S11截止，这时，高频变压器4的原边匝数增大一倍，而副边绕组匝数不变，其变比增大一倍，从而使输出电压有预减小一半的趋势，但反馈控制电路为保证输出电压跟随给定值不变，立即将PWM信号的占空比提高，扼制输出电压的减小，使电源重新回到大占空比的工况。这一变换大大提高了电源半载荷工况下的工作效率，达到节能目的。

实施例2

参见图6，本例是在实施例1的基础上，采用在高频变压器4的副边绕组增加中心抽头和变比变换开关来实现其变比的变换。具体方案是：在副边绕组上增加两个中心抽头，一个中心抽头通过变比变换开关S5并接在整流输出端上，另一个中心抽头通过变比变换开关S6也并接在整流输出端上，并且在变比变换开关S5、S6上均并联一个整流二极管，在副边绕组的正端和负端上还分别串联一个变比变换控制开关S10和S8，用于控制该正端和负端的通、断，同时，在副边绕组的正、负两端的原始整流二极管上还分别并联了变比变换开关S9和S7。

参见图1、7，本例的占空比检测电路10、滤波电路13和占空比判定电路11与实施例1的结构相同，其逻辑控制电路12有所不同，占空比判定电路11输出的判定信号仍通过驱动器12-1的驱动后输出一个KC信号，再通过增加一个反向器12-3输出一个KC信号的反向信号KC1。

再参见图6，所述的KC信号直接控制开关S8和S10的导通与截止，其中开关S9、S5和开关S6、S7的控制则由图8、9中两个结构相同的逻辑控制电路来完成。为了更好地完成逻辑控制，在高频变压器4中又增加了一个PWM信号的采集绕组SR。

参见图6、8，所述开关S9、S5的逻辑控制电路由PWM信号的整形电路12-4和两个与门12-5、12-6连接构成，其中整形电路12-4的信号输入端接在占空比信号的采集绕组TRC上。

参见图6、9，所述开关S7、S6的逻辑控制电路由PWM信号的整形电路12-7和两个与门12-8、12-9连接构成，其中整形电路12-7的信号输入端接在占空比信号的采集绕组SR上。

上述电路的变比变换工作过程是：参见图6、7，如果占空比大于50％，占空比判定电路11输出高电平，则KC为高电平，KC1为低电平，KC信号使开关S10、S8导通，同时，还使图8、9中的与门12-5和12-8开启，而且KC1信号使与门12-6、12-9关闭，这时，从高频变压器4绕组SR、TRC采集的高频信号分别通过整形器12-4、12-7的整形，从与门12-5和12-8输出，使开关S9、S7按照高频信号(PWM信号)的占空比导通与截止；同时，与门12-6、12-9输出的低电平，使开关S5、S6截止，则新增两个中心抽头输出的整流信号分别并入整流输出端，使高频变压器4的变比为原始设计的变比。当占空比小于50％时，占空比判定电路11输出低电平，则KC为低电平、KC1为高电平，KC信号使开关S10、S8和S9、S7关断，同时，KC1使与门12-6和12-9开启，则开关S5、S6按照所采集的高频信号的占空比导通与截止，这时，副边的能量全部从开关S5、S6处输出，则高频变压器4副边的匝数减小一半，而原边绕组的匝数不变，使其变比增大一倍，从而完成了与实施例1相同的变比变换。

Claims

1.一种节能型晶体生长高频电源装置，它具有一个由三相整流桥(1)、输入端LC滤波器(2)、高频逆变桥(3)、高频变压器(4)、高频整流器(5)和输出端LC滤波器(6)连接构成的主变换电路，它还具有一个反馈控制电路，该反馈控制电路由电压误差运算电路(7)和电流误差运算电路(8)及占空比控制芯片(9)连接构成，其特征是：所述的高频变压器(4)是一个通过在其原边或副边绕组中增加中心抽头和变比变换开关而形成的一个可变变比高频变压器，在所述高频变压器(4)中还增设占空比采集绕组，所述的占空比采集绕组与一个占空比检测电路(10)的输入端相接，该占空比检测电路(10)的输出端和一个占空比给定端一起接入一个占空比判定电路(11)的输入端，所述占空比判定电路(11)的输出端通过一个逻辑控制电路(12)与所述变比变换开关的控制端相接。

2.根据权利要求1所述的节能型晶体生长高频电源装置，其特征是：所述的占空比检测电路(10)由整流桥(10-1)、整形电路(10-2)、D触发器(10-3)和一个积分电路(10-4)连接构成。

3.根据权利要求1或2所述的节能型晶体生长高频电源装置，其特征是：在所述的占空比检测电路(10)和占空比判定电路(11)之间设有一个滤波电路(13)，所述占空比检测电路输出的检测信号u_d通过该滤波电路的滤波后送入占空比判定电路(11)。