CN111614152B - 一种在线更换式无间断输出电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线更换式无间断输出电源，其包括有主板以及插接于主板的多个电源模块，多个电源模块的输出功率之和作为无间断输出电源的总输出功率，主板包括有：报警系统；实时反馈和诊断系统，用于实时监测多个电源模块的工作参数数据，并且当电源模块的任一工作参数达到预设报警值时，通过报警系统发出报警提示；模块切换系统，用于根据实时反馈和诊断系统的监测结果控制电源模块的功率输出状态，并且当电源模块的任一工作参数达到预设报警值时，控制该电源模块停止功率输出，同时调整其他电源模块的输出功率，以令其他电源模块的输出功率之和保持在总输出功率。本发明实现了在线更换电源模块以及无间断功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及不停机生产线的电源设备，尤其涉及一种在线更换式无间断输出电源。
背景技术
电源设备在半导体生产领域被广泛地应用，随着真空等离子技术的发展，射频、微波以及直流电源是产生等离子体不可或缺的部件，在晶体生长、离子蚀刻及干法去胶的半导体工艺中起关键作用。特别是随着ALD、ALE等复杂工艺的突破，在长晶、蚀刻或去胶过程中要求电源不间断供电的能力越来越高。现有的电源设计主要存在如下现状，首先，无论是MKS、AE、COMDEL等等生产包括射频、微波或直流电源的电源设备，都不具备无间断输出能力，一旦电源内的任何一元器件失效，电源立即停止输出，只能在报警后等待更换已损电源；此外，现有的电源设计一般会保留至少20％的功率余量，例如一台最大输出功率为10千瓦的射频电源，通常将工作输出设置为6-8千瓦，用以增强其连续负载能力。
基于上述因素，导致现有的电源设备存在如下缺陷：首先，电源一旦出现问题，则设备必须切断电供、水供或者气供，之后才能更换整台电源，不具备在线更换能力，据统计，每更换一台电源平均需要2-4小时，而机台和工艺复原平均需要6-8小时，这对一条动辄投资几百亿的半导体产线来说是不小的损失。其次，一旦电源内的任何一元器件失效，则电源立即停止输出，这将造成半导体生产工艺中的等离子体熄灭、晶体生长或等离子蚀刻停止，导致产品报废，机台停产，严重影响生产效率和损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种将电源等分为多个可插接于主板的电源模块，并在运行过程中对电源模块进行参数监测，筛选出即将失效的电源模块，同时保持总输出功率不变，进而实现无间断输出的在线更换式电源。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种在线更换式无间断输出电源，其包括有主板以及插接于所述主板的多个电源模块，多个电源模块的输出功率之和作为所述无间断输出电源的总输出功率，所述主板包括有：报警系统；实时反馈和诊断系统，用于实时监测多个电源模块的工作参数数据，并且当所述电源模块的任一工作参数达到预设报警值时，通过所述报警系统发出报警提示；模块切换系统，用于根据所述实时反馈和诊断系统的监测结果控制所述电源模块的功率输出状态，并且当所述电源模块的任一工作参数达到预设报警值时，控制该电源模块停止功率输出，同时调整其他电源模块的输出功率，以令其他电源模块的输出功率之和保持在所述总输出功率。
优选地，所述主板预设有基于前馈网络实现的时间预测模型，借由所述时间预测模型对即将发生故障的电源模块进行判定，再将该电源模块的输出功率平均分配到其他电源模块，之后通过所述报警系统发出报警提示并显示该发生故障的电源模块的所处位置。
优选地，所述无间断输出电源的总输出功率设置为:实际总输出功率比目标总输出功率大20％。
优选地，所述实时反馈和诊断系统对所述电源模块进行实时监测的工作参数数据包括电压、电流、频率、发射功率、功率匹配、电位差、温度和风量功效。
优选地，所述模块切换系统包括与所述电源模块一一对应的多个切换电路，多个切换电路的电路结构相同，所述切换电路包括有光耦U1、继电器RL1和NPN管Q1，所述光耦U1的控制端阳极通过限流电阻R1连接于高电位+5V，所述光耦U1的控制端阴极用于接入通断控制信号，所述光耦U1的开关端集电极连接于电源端VCC，所述光耦U1的开关端发射极通过限流电阻R2连接于NPN管Q1的基极，所述继电器RL1的线圈串联于电源端VCC和NPN管Q1的集电极之间，所述NPN管Q1的发射极接地，所述继电器RL1的两开关触点串接于所述电源模块的输出端，当所述光耦U1的控制端阴极接入低电平控制信号时，所述光耦U1、NPN管Q1和所述继电器RL1依次导通，所述继电器RL1的两开关触点发生跳变，当所述光耦U1的控制端阴极接入高电平控制信号时，所述光耦U1、NPN管Q1和所述继电器RL1同时断开，所述继电器RL1的两开关触点复位，通过向所述光耦U1的控制端阴极加载高低电平信号而控制所述电源模块的功率输出状态。
优选地，所述切换电路包括有发光二极管D2，所述发光二极管D2的阳极连接于所述光耦U1的控制端阴极，所述发光二极管D2的阴极用于接入通断控制信号。
优选地，所述继电器RL1的线圈并联有二极管D1，所述二极管D1的阴极连接于电源端VCC，所述二极管D1的阳极连接于所述NPN管Q1的集电极。
优选地，所述主板包括有自动弹出系统，所述自动弹出系统用于当所述报警系统发出报警提示并且所述电源模块停止功率输出之后，断开所述电源模块的上电回路。
优选地，所述自动弹出系统包括有接触筒和伸缩杆，所述接触筒包括有导电筒部和绝缘筒部，所述伸缩杆插设于所述接触筒内，所述伸缩杆上形成有多个向外伸展的电刷，且所述电刷的端部抵接于所述接触筒的内壁，所述伸缩杆的端部连接有电磁驱动机构，所述电磁驱动机构用于接收所述主板的控制指令并驱使所述伸缩杆相对所述接触筒进行伸缩移动，以令所述电刷抵接于所述导电筒部或者绝缘筒部，所述导电筒部和所述电刷电性串联于所述电源模块的上电回路，所述主板通过控制所述电刷与所述导电筒部的连接状态，进而控制所述电源模块的上电状态。
优选地，包括有箱体，所述主板固定于所述箱体内，所述箱体上开设有多个窗口，且所述窗口与所述电源模块一一对应，所述电源模块远离所述主板的一端设有盖板，当所述电源模块插接于所述主板时，所述盖板盖合于所述窗口。
本发明公开的在线更换式无间断输出电源中，将总电源分成多个电源模块，并且实时监测多个电源模块的工作参数数据，当其中一个电源模块发生异常，即监测到所述电源模块的任一工作参数达到预设报警值时，可立即发出报警提示，并控制该电源模块停止功率输出，使得维护人员及时获知电源模块的故障状态，并对电源模块进行更换，与此同时，还调整其他电源模块的输出功率，比如将发生故障的电源模块的输出功率平均分配至其他电源模块，以令其他电源模块的输出功率之和保持在所述总输出功率。基于上述原理，当某一电源模块中的电气元件发生故障时，只需更换该电源模块即可，无需停机维修，进而实现了在线更换以及无间断输出，不仅保证了生产效率，而且可避免因停机造成的资源损耗，较好地满足了生产需求。
附图说明
图1为本发明无间断输出电源的整体结构图；
图2为本发明无间断输出电源的组成框图；
图3为主板与电源模块的结构图；
图4为时间预测模型示意图；
图5为切换电路的原理图；
图6为自动弹出系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种在线更换式无间断输出电源，结合图1至图3所示，其包括有主板1以及插接于所述主板1的多个电源模块2，多个电源模块2的输出功率之和作为所述无间断输出电源的总输出功率，所述主板1包括有：
报警系统10；
实时反馈和诊断系统11，用于实时监测多个电源模块2的工作参数数据，并且当所述电源模块2的任一工作参数达到预设报警值时，通过所述报警系统10发出报警提示；
模块切换系统12，用于根据所述实时反馈和诊断系统11的监测结果控制所述电源模块2的功率输出状态，并且当所述电源模块2的任一工作参数达到预设报警值时，控制该电源模块2停止功率输出，同时调整其他电源模块2的输出功率，以令其他电源模块2的输出功率之和保持在所述总输出功率。
上述电源中，将总电源分成多个电源模块2，并且实时监测多个电源模块2的工作参数数据，当其中一个电源模块2发生异常，即监测到所述电源模块2的任一工作参数达到预设报警值时，可立即发出报警提示，并控制该电源模块2停止功率输出，使得维护人员能及时地获知电源模块2的故障状态，并对电源模块2进行更换，与此同时，所述模块切换系统12还调整其他电源模块2的输出功率，比如将发生故障的电源模块2的输出功率平均分配至其他电源模块2，以令其他电源模块2的输出功率之和保持在所述总输出功率。基于上述原理，当某一电源模块2中的电气元件发生故障时，只需更换该电源模块2即可，无需停机维修，进而实现了在线更换以及无间断输出，不仅保证了生产效率，而且可避免因停机造成的资源损耗，较好地满足了生产需求。
作为一种优选方式，所述无间断输出电源的总输出功率设置为:实际总输出功率比目标总输出功率大20％。其中，目标总输出功率是负载正常工作时电源应当输出的功率，本实施例在设计电源时，将实际总输出功率设计为稍大于目标总输出功率，目的是为了保证电源具备足够的带载能力。
本实施例将总电源分解为多个电源模块2，例如：电源最大功率为16千瓦，将电源易失效的逆变器部分设计成为以2千瓦为单位的独立输出模块，共分为8块，以并联输出方式组合。每一电源模块以插槽方式连接在主板上，纵向排列，分为上下两层，上层为4块模块，下层4块模块。
本实施例中，请参见图4，所述主板1预设有基于前馈网络实现的时间预测模型，借由所述时间预测模型对即将发生故障的电源模块2进行判定，再将该电源模块2的输出功率平均分配到其他电源模块2，之后通过所述报警系统10发出报警提示并显示该发生故障的电源模块2的所处位置。本实施例优选采用由前馈网络实现的时间预测模型，用于把即将发生故障的电源模块锁定，待其输出功率平均分配到其他电源模块后，发出报警并显示此故障电源模块的位置。
作为一种优选方式，所述实时反馈和诊断系统11对所述电源模块2进行实时监测的工作参数数据包括电压、电流、频率、发射功率、功率匹配、电位差、温度和风量功效。实际应用中，所述实时反馈和诊断系统包括数据采集模块，即利用隔离式多通道模拟输入和输出，对各个电源模块反馈的多种参数进行实时监视和诊断，分别对各电源模块的电压、电流、频率、发射功率、功率匹配、电位差、温度和风量功效同时进行监控，当任一参数值超过预警值时，报警系统做出反应。
本实施例中，请参见图5，所述模块切换系统12包括与所述电源模块2一一对应的多个切换电路，多个切换电路的电路结构相同，所述切换电路包括有光耦U1、继电器RL1和NPN管Q1，所述光耦U1的控制端阳极通过限流电阻R1连接于高电位+5V，所述光耦U1的控制端阴极用于接入通断控制信号，所述光耦U1的开关端集电极连接于电源端VCC，所述光耦U1的开关端发射极通过限流电阻R2连接于NPN管Q1的基极，所述继电器RL1的线圈串联于电源端VCC和NPN管Q1的集电极之间，所述NPN管Q1的发射极接地，所述继电器RL1的两开关触点串接于所述电源模块2的输出端，当所述光耦U1的控制端阴极接入低电平控制信号时，所述光耦U1、NPN管Q1和所述继电器RL1依次导通，所述继电器RL1的两开关触点发生跳变，当所述光耦U1的控制端阴极接入高电平控制信号时，所述光耦U1、NPN管Q1和所述继电器RL1同时断开，所述继电器RL1的两开关触点复位，通过向所述光耦U1的控制端阴极加载高低电平信号而控制所述电源模块2的功率输出状态。
本实施例中，所述切换电路包括有发光二极管D2，所述发光二极管D2的阳极连接于所述光耦U1的控制端阴极，所述发光二极管D2的阴极用于接入通断控制信号。当所述光耦U1的控制端阴极接入低电平控制信号时，所述发光二极管D2即通电发光，上述发光二极管D2的作用在于，当主板对切换电路进行通断控制时，可随之进行发光提示。
为了避免受反向电流的干扰，本实施例中，所述继电器RL1的线圈并联有二极管D1，所述二极管D1的阴极连接于电源端VCC，所述二极管D1的阳极连接于所述NPN管Q1的集电极。
本实施例中，所述模块切换系统12使用光耦来触发NPN管，用以进一步驱动继电器，其中，光耦设置为低电平有效信号触发，实际应用中，可通过编程的方式进行自动模块选择，进而触发继电器以实现模块切换的功能。
作为一种优选方式，请参见图6，所述主板1包括有自动弹出系统13，所述自动弹出系统13用于当所述报警系统10发出报警提示并且所述电源模块2停止功率输出之后，断开所述电源模块2的上电回路。
进一步地，所述自动弹出系统13包括有接触筒130和伸缩杆131，所述接触筒130包括有导电筒部132和绝缘筒部133，所述伸缩杆131插设于所述接触筒130内，所述伸缩杆131上形成有多个向外伸展的电刷134，且所述电刷134的端部抵接于所述接触筒130的内壁，所述伸缩杆131的端部连接有电磁驱动机构，所述电磁驱动机构用于接收所述主板1的控制指令并驱使所述伸缩杆131相对所述接触筒130进行伸缩移动，以令所述电刷134抵接于所述导电筒部132或者绝缘筒部133，所述导电筒部132和所述电刷134电性串联于所述电源模块2的上电回路，所述主板1通过控制所述电刷134与所述导电筒部132的连接状态，进而控制所述电源模块2的上电状态。具体地，当所述电刷134移动至所述导电筒部132位置时处于接通状态，当所述电刷134移动至所述绝缘筒部133位置时处于断开状态，进而实现回路通断控制。
关于电源整机结构，请参见图1，本实施例包括有箱体3，所述主板1固定于所述箱体3内，所述箱体3上开设有多个窗口30，且所述窗口30与所述电源模块2一一对应，所述电源模块2远离所述主板1的一端设有盖板20，当所述电源模块2插接于所述主板1时，所述盖板20盖合于所述窗口30。基于上述结构，可使得本发明电源整机结构更加紧凑，方便维护、管理。
本发明公开的在线更换式无间断输出电源，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明将电源等分为若干模块，并插接在主板上。电源在运行中进行实时监测，筛选并剔出即将失效模块，同时增加其他模块输出，操作人员可在无须切断水、电、气的情况下更换模块，更换后，电源恢复至原来模块功率匹配，进而达到无间断输出的目的。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种在线更换式无间断输出电源，其特征在于，包括有主板(1)以及插接于所述主板(1)的多个电源模块(2)，多个电源模块(2)的输出功率之和作为所述无间断输出电源的总输出功率，所述主板(1)包括有：
报警系统(10)；
实时反馈和诊断系统(11)，用于实时监测多个电源模块(2)的工作参数数据，并且当所述电源模块(2)的任一工作参数达到预设报警值时，通过所述报警系统(10)发出报警提示；
模块切换系统(12)，用于根据所述实时反馈和诊断系统(11)的监测结果控制所述电源模块(2)的功率输出状态，并且当所述电源模块(2)的任一工作参数达到预设报警值时，控制该电源模块(2)停止功率输出，同时调整其他电源模块(2)的输出功率，以令其他电源模块(2)的输出功率之和保持在所述总输出功率；
所述主板(1)包括有自动弹出系统(13)，所述自动弹出系统(13)用于当所述报警系统(10)发出报警提示并且所述电源模块(2)停止功率输出之后，断开所述电源模块(2)的上电回路；
所述自动弹出系统(13)包括有接触筒(130)和伸缩杆(131)，所述接触筒(130)包括有导电筒部(132)和绝缘筒部(133)，所述伸缩杆(131)插设于所述接触筒(130)内，所述伸缩杆(131)上形成有多个向外伸展的电刷(134)，且所述电刷(134)的端部抵接于所述接触筒(130)的内壁，所述伸缩杆(131)的端部连接有电磁驱动机构，所述电磁驱动机构用于接收所述主板(1)的控制指令并驱使所述伸缩杆(131)相对所述接触筒(130)进行伸缩移动，以令所述电刷(134)抵接于所述导电筒部(132)或者绝缘筒部(133)，所述导电筒部(132)和所述电刷(134)电性串联于所述电源模块(2)的上电回路，所述主板(1)通过控制所述电刷(134)与所述导电筒部(132)的连接状态，进而控制所述电源模块(2)的上电状态。
2.如权利要求1所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，所述主板(1)预设有基于前馈网络实现的时间预测模型，借由所述时间预测模型对即将发生故障的电源模块(2)进行判定，再将该电源模块(2)的输出功率平均分配到其他电源模块(2)，之后通过所述报警系统(10)发出报警提示并显示该发生故障的电源模块(2)的所处位置。
3.如权利要求1所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，所述无间断输出电源的总输出功率设置为:实际总输出功率比目标总输出功率大20％。
4.如权利要求1所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，所述实时反馈和诊断系统(11)对所述电源模块(2)进行实时监测的工作参数数据包括电压、电流、频率、发射功率、功率匹配、电位差、温度和风量功效。
5.如权利要求1所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，所述模块切换系统(12)包括与所述电源模块(2)一一对应的多个切换电路，多个切换电路的电路结构相同，所述切换电路包括有光耦U1、继电器RL1和NPN管Q1，所述光耦U1的控制端阳极通过限流电阻R1连接于高电位+5V，所述光耦U1的控制端阴极用于接入通断控制信号，所述光耦U1的开关端集电极连接于电源端VCC，所述光耦U1的开关端发射极通过限流电阻R2连接于NPN管Q1的基极，所述继电器RL1的线圈串联于电源端VCC和NPN管Q1的集电极之间，所述NPN管Q1的发射极接地，所述继电器RL1的两开关触点串接于所述电源模块(2)的输出端，当所述光耦U1的控制端阴极接入低电平控制信号时，所述光耦U1、NPN管Q1和所述继电器RL1依次导通，所述继电器RL1的两开关触点发生跳变，当所述光耦U1的控制端阴极接入高电平控制信号时，所述光耦U1、NPN管Q1和所述继电器RL1同时断开，所述继电器RL1的两开关触点复位，通过向所述光耦U1的控制端阴极加载高低电平信号而控制所述电源模块(2)的功率输出状态。
6.如权利要求5所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，所述切换电路包括有发光二极管D2，所述发光二极管D2的阳极连接于所述光耦U1的控制端阴极，所述发光二极管D2的阴极用于接入通断控制信号。
7.如权利要求5所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，所述继电器RL1的线圈并联有二极管D1，所述二极管D1的阴极连接于电源端VCC，所述二极管D1的阳极连接于所述NPN管Q1的集电极。
8.如权利要求1所述的在线更换式无间断输出电源，其特征在于，包括有箱体(3)，所述主板(1)固定于所述箱体(3)内，所述箱体(3)上开设有多个窗口(30)，且所述窗口(30)与所述电源模块(2)一一对应，所述电源模块(2)远离所述主板(1)的一端设有盖板(20)，当所述电源模块(2)插接于所述主板(1)时，所述盖板(20)盖合于所述窗口(30)。
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