普尔世电源在晶炉控制系统中的直流不间断冗余应用

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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

2、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

3、显 得 至 关 重 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 。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 、 锗 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

4、 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

5、 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

6、 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 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

7、 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

8、或 其 它 误 动 作 ; 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网4) AC UPS 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 UPS， 为 相 应 负 载 提 供 稳 定 不 间 断 的 输 入 。因 为 双 路 冗

9、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

10、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

11、 ， 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。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

12、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

13、 质 量 测 试 不 通 过 ， 需 要 更 换 电 池 。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

14、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 “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

15、 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4.1 稳 定 的 UPS 输 出 电 压通 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

16、 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