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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、；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
10、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
11、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 M
12、ode 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
13、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，
14、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。
