普爾世電源在晶爐控制系統(tǒng)中的直流不間斷冗余應(yīng)用

一     行業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)前太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用推動(dòng)光伏行業(yè)整體向前發(fā)展，同時(shí)，LED技術(shù)又刮起了一股新能源節(jié)能風(fēng)。隨著砷化鎵在光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)、光電子領(lǐng)域、微電子領(lǐng)域以及軍事電子領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，生產(chǎn)砷化鎵晶棒的晶爐控制系統(tǒng)愈發(fā)起到舉足輕重的作用。在此基礎(chǔ)上，如何保障對(duì)溫度條件要求苛刻的晶爐安全持續(xù)生產(chǎn)，如何為整個(gè)控制系統(tǒng)選擇合適又可靠的供電配置顯得至關(guān)重要。本案例中，普爾世直流電源和DC UPS冗余方案在單晶爐和多晶爐控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用使用戶避免了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并從繁瑣的人工日常監(jiān)控中解放出來(lái)，獲得了用戶的高度認(rèn)可與衷心贊譽(yù)。

二     基于晶爐控制系統(tǒng)的方案

1. 問(wèn)題描述

本方案中，客戶是以砷化鎵、鍺等半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)、銷售為主營(yíng)的高科技企業(yè)。這些半導(dǎo)體材料是太陽(yáng)能、LED、微電子等行業(yè)不可或缺的原材料。單晶爐內(nèi)晶體生長(zhǎng)是整個(gè)生產(chǎn)中的最關(guān)鍵的工藝。每個(gè)砷化鎵晶體在爐內(nèi)的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)4~6天，生長(zhǎng)過(guò)程中爐內(nèi)溫度通過(guò)控制器調(diào)控以階梯方式增長(zhǎng)。在此周期中，一旦對(duì)控制器的直流供電中斷，控制器的設(shè)定溫度就會(huì)復(fù)位到起始值，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)實(shí)際溫度與晶體生長(zhǎng)所需溫度無(wú)法匹配，致使石英單晶爐或多晶爐內(nèi)的溫度發(fā)生不規(guī)則變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致晶爐中正在生長(zhǎng)的砷化鎵晶體報(bào)廢，甚至?xí)馉t內(nèi)溫度過(guò)高，使得石英爐體膨脹而報(bào)廢。其整個(gè)過(guò)程將造成砷化鎵晶體、石英爐爐體、時(shí)間、電力以及人工成本等近百萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。客戶曾經(jīng)發(fā)生過(guò)幾次停電事故，起因是控制系統(tǒng)前端的AC UPS因本身質(zhì)量問(wèn)題而使輸出供電中斷，引起對(duì)控制器的直流供電回路中斷進(jìn)而導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控。AC UPS系統(tǒng)的體積大，輸出干擾強(qiáng)，故障率高等附帶缺點(diǎn)也為客戶造成了很大的困擾。如圖1為原交流UPS供電方案。

圖1   交流UPS供電方案接線圖

綜上所述，用戶原供電方案的問(wèn)題可總結(jié)為：

1）              1)原方案只是針對(duì)市電斷電有所準(zhǔn)備，但是一旦AC UPS本身發(fā)生故障，會(huì)使其后單路連接的控制器的直流供電中斷，進(jìn)而導(dǎo)致全部控制系統(tǒng)癱瘓；

2）              2)由于AC UPS很難做到絕對(duì)的“零切換”，市電斷電時(shí)，需要一定的切換時(shí)間，而如果后續(xù)直流電源沒(méi)有一定的緩沖能力，會(huì)造成對(duì)控制器的供電不夠穩(wěn)定；

3）              3) 如果AC UPS的輸出干擾無(wú)法被后續(xù)的直流電源有效屏蔽，可能引起控制器的錯(cuò)誤關(guān)斷或其它誤動(dòng)作；

4）              4) AC UPS附帶的電池體積龐大，因此整個(gè)供電系統(tǒng)只能放置在晶爐柜外，除了安裝非常不方便，其內(nèi)置風(fēng)扇還會(huì)造成噪聲污染。

2. 需求分析

基于以上種種弊端，普爾世向用戶建議在既有的雙路交流輸入的基礎(chǔ)上，使用穩(wěn)定、高可靠性的直流電源和DC UPS，為相應(yīng)負(fù)載提供穩(wěn)定不間斷的輸入。因?yàn)殡p路冗余DC UPS無(wú)論是在系統(tǒng)外市電缺失的情況下還是其本身發(fā)生故障，都能夠保證自動(dòng)切換至電池為其后的電路供電，在本方案中即為晶爐控制器供電，從而使控制器完成最后一次工作然后關(guān)機(jī)，并按要求進(jìn)行軟硬件通訊，發(fā)送相應(yīng)信號(hào)到上位機(jī)，方便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決回路問(wèn)題，以此來(lái)有效地保護(hù)爐體設(shè)備不受意外斷電的影響。

此外，客戶還希望電源和DC UPS能夠安裝于專門的空間有限的晶爐控制柜內(nèi)，這就對(duì)冗余系統(tǒng)的體積也做了一定的要求。

3. 方案確定

目前普爾世電源給客戶提供的產(chǎn)品包括CS10.244、 UB10.241和YR2.DIODE。CS10.244是輸出為24V的直流電源，最大額定負(fù)載為10A； UB10.241為直流不間斷電源，輸出為10A，24V；YR2.DIODE是雙路10A二極管冗余解耦模塊，能夠有效隔離冗余的電源，徹底避免輸出回路間的耦合，實(shí)現(xiàn)真正的冗余備用功能。電源，DC UPS，冗余模塊三者構(gòu)成了最高可靠性的直流回路。以下是普爾世電源產(chǎn)品，圖2為CS10.244, 輸出為24V10A電源，圖3為UB10.241，輸出為24V， 10A  DC UPS。

圖2 CS10.244                                                        圖3   UB10.241

整個(gè)直流供電系統(tǒng)還需要配備兩塊鉛酸電池 (12V/12Ah) ，以及為DC UPS配備信號(hào)通訊系統(tǒng)。鉛酸電池用來(lái)在主回路斷電時(shí)為DC UPS供電；信號(hào)通訊系統(tǒng)則用來(lái)告知客戶在各個(gè)使用情況下的回路狀態(tài)，以便對(duì)故障電路做出第一時(shí)間報(bào)警。

       圖4是普爾世為客戶提供的解決方案接線圖。圖中綠燈①亮則表示系統(tǒng)主回路供電正常，DC UPS回路正常；紅燈②亮則表明直流UPS處于電池供電緩沖模式；紅燈③亮則表示電池本身質(zhì)量測(cè)試不通過(guò)，需要更換電池。

圖4   典型的雙冗余系統(tǒng)接線圖

由上述方案的選定，再結(jié)合用戶的原方案對(duì)比可知，PULS普爾世為用戶提供的新方案可以解決以下問(wèn)題：

1）              1) 不管是市電斷電還是雙路冗余的DC UPS其中一路本身發(fā)生故障，都能夠切換到電池，持續(xù)為其后連接的控制器進(jìn)行直流供電，并及時(shí)作出報(bào)警，便于相關(guān)人員采取一定措施，避免造成損失；

2）              2) 市電斷電時(shí)，由于是直流電源切換到電池，中間不會(huì)產(chǎn)生停頓，真正做到“零切換”時(shí)間，使其對(duì)控制器的供電足夠穩(wěn)定；

3）              3) 直流輸出的干擾相對(duì)較小，不易引起控制器的錯(cuò)誤關(guān)斷或其它誤動(dòng)作；

4）              4) 不僅其附帶電池體積小，而且整個(gè)供電系統(tǒng)的體積總和也十分小巧，放置在狹窄的晶爐柜內(nèi)非常合適，降低了接線的復(fù)雜度，免除了不必要的安裝麻煩。

4. 普爾世電源的綜合優(yōu)勢(shì)

在本案例中，普爾世的直流不間斷冗余系統(tǒng)還具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此也為用戶帶來(lái)了更多的便利。

4.1穩(wěn)定的UPS輸出電壓

通常的直流不間斷電源在緩沖模式（即電網(wǎng)斷電由電池供電的狀態(tài)）下，輸出電壓會(huì)隨著電池的放電而降低，整個(gè)放電過(guò)程中電壓變化可能超過(guò)幾伏，在最后的約五分之一時(shí)間里的電壓還可能低于20 伏（如下圖5），并且也無(wú)法很好的滿足負(fù)載的峰值電流需求。而根據(jù)工業(yè)控制器標(biāo)準(zhǔn)（PLC標(biāo)準(zhǔn)）EN 61131-2，要求工業(yè)控制器可耐受的電壓暫降不得超過(guò)10ms，電壓最低能降到20.4Vdc，因此普通的電池如長(zhǎng)期未經(jīng)維修或更換，可能無(wú)法起到可靠的保障作用。

基于這個(gè)原因，普爾世特別在技術(shù)方面設(shè)計(jì)做到了在緩沖模式下的直流不間斷電源UB10.241能夠輸出穩(wěn)定的電壓，保持恒定的輸出電壓22. 5V（如圖6），同時(shí)具有4 秒內(nèi)的50％額外功率，即在保持電壓的條件下，可以輸出150％的額定電流，使負(fù)載能夠正常工作，尤其是像晶爐控制器這樣關(guān)鍵的重要負(fù)載。

圖5   其他UPS輸出電壓曲線                             圖6   PULS DC UPS輸出電壓曲線

 4.2 優(yōu)秀的電池管理技術(shù)

普爾世精確的電池管理技術(shù)能夠避免電池過(guò)充、欠充或深度放電，有效地延長(zhǎng)電池的使用壽命。

熟悉電池管理的人都知道，在一定環(huán)境溫度下，電池有一定的滿充電壓，與該滿充電壓完全一致時(shí)，電池可以達(dá)到最長(zhǎng)的使用壽命。傳統(tǒng)的雙電池串聯(lián)充電方案由于電池特性不盡相同，很容易造成其中某一電池的過(guò)充或欠充（如圖7）。而普爾世電源的DC UPS獨(dú)有的單電池供電方案，只需要對(duì)單個(gè)電池充電和管理（如圖8），能更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)充電截止電壓以保護(hù)電池，延長(zhǎng)其使用壽命，為用戶節(jié)約大量維護(hù)及更換的成本。

圖7 一般的電池充電系統(tǒng)                    圖8   PULS電池充電系統(tǒng)

另外，普爾世DC UPS可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度設(shè)定滿充電壓，電池相應(yīng)被充電至該電壓，保證電池最優(yōu)的使用壽命。盡管如此，普爾世 DC UPS也可以選配其它廠家電池，用戶不會(huì)因此受到電池品牌限制的困擾。

4.3  強(qiáng)大的自身保護(hù)能力

普爾世電源產(chǎn)品都有很強(qiáng)的過(guò)載能力以及保護(hù)能力。例如，普爾世電源具有短路保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)，過(guò)載保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等能力。DC UPS除此之外還具有電池極性反向保護(hù)，錯(cuò)誤電池電壓保護(hù)，電池深度放電保護(hù)的功能。其中輸出過(guò)壓保護(hù)能預(yù)防對(duì)負(fù)載產(chǎn)生大電壓沖擊，保護(hù)負(fù)載免受傷害，尤其是控制器等關(guān)鍵負(fù)載。因此，不僅能夠保證電源本身的使用壽命，對(duì)用戶方的設(shè)備和操作人員亦可進(jìn)行全方面的保護(hù)。

4.4  卓越的電源綜合特性

在市場(chǎng)上以產(chǎn)品特點(diǎn)“簡(jiǎn)約、強(qiáng)勁、穩(wěn)健、高效”而著稱的普爾世電源，其優(yōu)勢(shì)還在于其電源本身高技術(shù)含量的綜合性能。以本案例中的CS10.244為例：其重量?jī)H為700g，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到91.3%（輸入230V AC，輸出24V，10A）；更為重要的是它以60*124*117 mm的靈巧尺寸，不僅能夠順利地置入狹窄的晶爐控制柜，降低接線的復(fù)雜度，甚至還節(jié)省出更多的空間；其獨(dú)特而卓越的系統(tǒng)散熱可以增強(qiáng)內(nèi)部零件的使用壽命，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率與可靠性，從電能利用率和后期維護(hù)角度為客戶節(jié)約了不容忽視的成本；它本身超過(guò)15年（輸入230V，輸出24V，10A，環(huán)境溫度為25℃）的預(yù)期使用壽命，又能夠大大增加了用戶更換的周期。此外，CS10.244的使用環(huán)境溫度為0℃—70℃，60℃以上才需要適當(dāng)降額。綜合看來(lái)它是一款足以適應(yīng)各種惡劣復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的高可靠電源產(chǎn)品。

三     總結(jié)

普爾世電源的卓越技術(shù)，高可靠性，高效率，強(qiáng)大的輸出能力，配套電池的長(zhǎng)壽命，最快捷的更換維修時(shí)效，最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)不但能為客戶帶來(lái)最穩(wěn)定的電力輸出，最高的可用性以及方便的后期維護(hù)性，也為客戶帶來(lái)了最滿意的使用效果。

普爾世電源是一家專業(yè)生產(chǎn)DIN導(dǎo)軌式工控電源的德國(guó)公司，在導(dǎo)軌式工控電源市場(chǎng)具有先進(jìn)的生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)和領(lǐng)先的全球市場(chǎng)份額。在中國(guó)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和出口復(fù)蘇的大環(huán)境下，作為世界公認(rèn)的工控電源領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)袖，普爾世電源時(shí)刻密切關(guān)注國(guó)內(nèi)整體行業(yè)的走向，并全力支持國(guó)內(nèi)的工控行業(yè)的技術(shù)升級(jí)。