專利名稱：一種水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電鍍電解、生產(chǎn)多晶硅單晶硅、充電等工業(yè)領(lǐng)域的低壓大電流高頻開關(guān)電源，具體涉及一種水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置。
背景技術(shù)：
隨著電力電子設(shè)備的小型化發(fā)展趨勢(shì)，開關(guān)電源的功率密度不斷提高，開關(guān)電源的可靠性面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑?，開關(guān)電源運(yùn)行時(shí)有可能因?yàn)闇囟冗^高、機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾等造成故障。因此，開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到開關(guān)電源系統(tǒng)能否長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作。目前，低壓大電流高頻開關(guān)電源變壓器副邊整流大多采用全波整流電路，變壓器副邊繞組常以中間抽頭的形式形成兩個(gè)線圈，一般使用銅排作為連接線構(gòu)成高頻變壓器副邊繞組，也有使用導(dǎo)線代替銅排作為連接線，但都存在共同的缺點(diǎn)連線較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工 藝要求高、安裝難度大，變壓器散熱不理想，造成變壓器及副邊繞組溫度高，降低了開關(guān)電源整體的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、熱分布均勻、成本低的水冷型大功率聞?lì)l開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。本發(fā)明為達(dá)到上述目的，所采用的技術(shù)方案如下
一種水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，包括控制電路和主功率電路，所述裝置分為高壓區(qū)、低壓區(qū)和控制區(qū)，控制電路位于控制區(qū)，主功率電路包括高壓區(qū)和低壓區(qū)，所述高壓區(qū)包括交流接觸器、三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊、第二 IGBT半橋模塊和第一水冷散熱器；低壓區(qū)包括環(huán)形變壓器磁芯、功率變壓器原邊繞組、第一 U形銅管、第二 U形銅管、第二水冷散熱器、負(fù)極輸出銅排、正極輸出銅排、第一組共陰極整流二極管模塊、第二組共陰極整流二極管模塊和濾波磁環(huán)。進(jìn)一步的，所述交流接觸器、三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊和第二 IGBT半橋模塊順次連接，三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊、第二 IGBT半橋模塊均安裝在第一水冷散熱器上；所述第一 U形銅管和第二 U形銅管各有一端穿過環(huán)形變壓器磁芯，共同構(gòu)成功率變壓器副邊繞組；所述第一 U形銅管的穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端接到第一組共陰極整流二極管模塊的陽極，另一端接到負(fù)極輸出銅排；第二 U形銅管的未穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端接到第二組共陰極整流二極管模塊的陽極，另一端接到負(fù)極輸出銅排。進(jìn)一步的，所述第一 U形銅管和第二 U形銅管分別用一根空心銅管彎成U字形，且第一 U形銅管未穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端向內(nèi)彎折與第二 U形銅管穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端一起連接到負(fù)極輸出銅排，第二 U形銅管穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端向外彎折。進(jìn)一步的，所述第一 U形銅管向內(nèi)彎折的一端和第二 U形銅管向外彎折的一端一起穿過濾波磁環(huán)連接到負(fù)極輸出銅排，構(gòu)成輸出濾波電感。
進(jìn)一步的，所述第一、第二兩組共陰極整流二極管模塊的陰極均安裝在第二水冷散熱器上，第二水冷散熱器與正極輸出銅排連接；所述功率變壓器原邊繞組的一端與第一IGBT半橋模塊的輸出端連接，另一端與第二 IGBT半橋模塊的輸出端連接。進(jìn)一步的，所述交流接觸器、三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊、第二 IGBT半橋模塊、負(fù)極輸出銅排和正極輸出銅排分別通過導(dǎo)線與控制電路連接。進(jìn)一步的，所述控制區(qū)通過開有導(dǎo)線過孔的鋁合金板與高壓區(qū)、低壓區(qū)隔開，高壓區(qū)與低壓區(qū)通過鋁合金板隔開。進(jìn)一步的，所述功率變壓器原邊繞組由多股漆包線均勻繞于環(huán)形變壓器磁芯構(gòu)成。進(jìn)一步的，所述濾波磁環(huán)由多個(gè)鐵粉芯磁環(huán)疊加構(gòu)成。進(jìn)一步的，所述第一組共陰極整流二極管模塊、第二組共陰極整流二極管模塊均包含多個(gè)整流二極管模塊。進(jìn)一步的，冷卻水依次流過第二水冷散熱器、第一水冷散熱器、第一 U形銅管和第
二U形銅管，第二水冷散熱器、第一水冷散熱器、第一 U形銅管和第二 U形銅管之間通過編織膠管密封連接。作為優(yōu)選，所述第一水冷散熱器、第二水冷散熱器均可選用具有水流通道的鋁板散熱器。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果本發(fā)明的水冷型大功率高頻開關(guān)電源的功率變壓器副邊繞組由彎成U字型的兩根銅管構(gòu)成，兩根銅管各有一端穿過環(huán)形變壓器磁芯，在工作時(shí)通過冷卻水對(duì)兩根銅管進(jìn)行冷卻。目前使用銅排或?qū)Ь€作為連接線構(gòu)成功率變壓器副邊繞組的低壓大電流大功率高頻開關(guān)電源因?yàn)檩敵鲭娏鞔蟆㈩l率高，且受到集膚效應(yīng)的影響，使功率變壓器副邊繞組連接導(dǎo)體有效導(dǎo)電面積變小、電阻增大、發(fā)熱嚴(yán)重，同時(shí)由于構(gòu)成功率變壓器的環(huán)形變壓器磁芯圓孔限制了功率變壓器副邊繞組導(dǎo)體的截面積的增加，使通過增大功率變壓器副邊繞組截面積來降低發(fā)熱受到限制。而采用由兩根銅管彎成U字型穿過環(huán)形變壓器磁芯構(gòu)成功率變壓器副邊繞組就不存在這個(gè)問題。同時(shí)使用銅排或?qū)Ь€作為連接線構(gòu)成的功率變壓器副邊繞組采用風(fēng)冷卻或自然冷卻，而本發(fā)明水冷型大功率高頻開關(guān)電源的功率變壓器副邊繞組是用水冷卻，具有比風(fēng)冷和自然冷卻更為明顯有效的散熱效果。并且針對(duì)低壓大電流的大功率高頻開關(guān)電源，其輸出電流很大，一般都超過1000安培，再加上集膚效應(yīng)，其所需導(dǎo)體截面積很大，加大了輸出濾波電感制造難度及成本，本發(fā)明用幾個(gè)鐵粉芯磁環(huán)套在輸出導(dǎo)線上構(gòu)成輸出濾波電感，很好的解決了這一問題。以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使整個(gè)大功率高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)非常緊湊、簡(jiǎn)潔、散熱效果好，節(jié)省大量銅材、鋁材，降低了成本。


圖I為實(shí)施方式的水冷型大功率高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I中第一 U形銅管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖I中第二 U形銅管的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中I.交流接觸器，2.三相整流模塊，3.第一 IGBT半橋模塊，4.第二 IGBT半橋模塊，5.第一水冷散熱器，6.環(huán)形變壓器磁芯，7.功率變壓器原邊繞組，8.第一 U形銅管，9.第二 U形銅管，10.第一組共陰極整流二極管模塊，11.第二組共陰極整流二極管模塊，12.第二水冷散熱器，13.正極輸出銅排，14.負(fù)極輸出銅排，15.濾波磁環(huán)，16.控制電路。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)敘述。如圖I所示，一種水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，包括控制電路16和主功率電路，所述裝置分為高壓區(qū)、低壓區(qū)和控制區(qū)，控制電路16位于控制區(qū)，主功率電路包括高壓區(qū)和低壓區(qū)，所述高壓區(qū)包括交流接觸器I、三相整流模塊2、第一 IGBT半橋模塊3、第二IGBT半橋模塊4和第一水冷散熱器5 ;低壓區(qū)包括環(huán)形變壓器磁芯6、功率變壓器原邊繞組
7、第一 U形銅管8、第二 U形銅管9、第一組共陰極整流二極管模塊10、第二組共陰極整流二·極管模塊11、第二水冷散熱器12、正極輸出銅排13、負(fù)極輸出銅排14和濾波磁環(huán)15。所述交流接觸器I、三相整流模塊2、第一 IGBT半橋模塊3和第二 IGBT半橋模塊4順次連接，三相整流模塊2、第一 IGBT半橋模塊3、第二 IGBT半橋模塊4均安裝在第一水冷散熱器5上；所述第一 U形銅管8和第二 U形銅管9各有一端穿過環(huán)形變壓器磁芯6，共同構(gòu)成功率變壓器副邊繞組；所述第一 U形銅管8的穿過環(huán)形變壓器磁芯6的一端接到第一組共陰極整流二極管模塊10的陽極，另一端接到負(fù)極輸出銅排14 ;第二 U形銅管9的未穿過環(huán)形變壓器磁芯6的一端接到第二組共陰極整流二極管模塊11的陽極，另一端接到負(fù)極輸出銅排14。如圖2、3所示，所述第一 U形銅管8和第二 U形銅管9分別用一根空心銅管彎成U字形，且第一 U形銅管8未穿過環(huán)形變壓器磁芯6的一端向內(nèi)彎折與第二 U形銅管9穿過環(huán)形變壓器磁芯6的一端一起連接到負(fù)極輸出銅排14，第二 U形銅管9穿過環(huán)形變壓器磁芯6的一端向外彎折。所述第一 U形銅管8向內(nèi)彎折的一端和第二 U形銅管9向外彎折的一端一起穿過濾波磁環(huán)15連接到負(fù)極輸出銅排14，構(gòu)成輸出濾波電感。所述第一、第二兩組共陰極整流二極管模塊10、11的陰極均安裝在第二水冷散熱器12上，第二水冷散熱器12與正極輸出銅排13連接；所述功率變壓器原邊繞組的一端與第一 IGBT半橋模塊3的輸出端連接，另一端與第二 IGBT半橋模塊4的輸出端連接。所述交流接觸器I、三相整流模塊2、第一 IGBT半橋模塊3、第二 IGBT半橋模塊4、負(fù)極輸出銅排14和正極輸出銅排13分別通過導(dǎo)線與控制電路16連接。所述控制區(qū)通過開有導(dǎo)線過孔的鋁合金板與高壓區(qū)、低壓區(qū)隔開，高壓區(qū)與低壓區(qū)通過鋁合金板隔開。所述功率變壓器原邊繞組由多股漆包線均勻繞于環(huán)形變壓器磁芯6構(gòu)成。作為優(yōu)選，所述濾波磁環(huán)15由5個(gè)鐵粉芯磁環(huán)疊加構(gòu)成。作為優(yōu)選，所述第一組共陰極整流二極管模塊10、第二組共陰極整流二極管模塊11均包含6個(gè)整流二極管模塊。作為優(yōu)選，所述第一水冷散熱器5、第二水冷散熱器12均可選用具有水流通道的鋁板散熱器。冷卻水依次流過第二水冷散熱器、第一水冷散熱器、第一 U形銅管和第二 U形銅管，第二水冷散熱器、第一水冷散熱器、第一 U形銅管和第二 U形銅管之間通過編織膠管密封連接。將該水冷型大功率高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)應(yīng)用在一臺(tái)最高輸出直流電壓為60V，最大輸出直流電流為600A的單晶硅多晶硅生長(zhǎng)電源上，運(yùn)行四個(gè)月，每次連續(xù)滿載運(yùn)行7小時(shí)，構(gòu)成功率變壓器副邊繞組的兩U形銅管溫度均很低，溫度只比冷卻水的高1°C _5°C，除環(huán)形變壓器磁芯溫升在50°C左右，其余功率器件溫升均在30°C之內(nèi)，并均能在半小時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，可靠性高。該水冷型大功率高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)用銅材、鋁材少，節(jié)省了成本，結(jié)構(gòu)非常緊湊、簡(jiǎn)潔、熱分布均勻、溫升低、散熱效果好、相互干擾小，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，特別適合應(yīng)用在低壓大電流的大功率高頻開關(guān)電源上面。本文中所描述的具體實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明精神的具體說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下對(duì)本具體實(shí)施例做出各種修改或補(bǔ)充或者采用類似的方式替代，但是這些改動(dòng)均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此本發(fā)明技術(shù)范圍不局限于上 述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，包括控制電路和主功率電路，其特征在于所述裝置分為高壓區(qū)、低壓區(qū)和控制區(qū)，控制電路位于控制區(qū)，主功率電路包括高壓區(qū)和低壓區(qū)，所述高壓區(qū)包括交流接觸器、三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊、第二 IGBT半橋模塊和第一水冷散熱器；低壓區(qū)包括環(huán)形變壓器磁芯、功率變壓器原邊繞組、第一 U形銅管、第二 U形銅管、第二水冷散熱器、負(fù)極輸出銅排、正極輸出銅排、第一組共陰極整流二極管模塊、第二組共陰極整流二極管模塊和濾波磁環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，其特征在于所述交流接觸器、三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊和第二 IGBT半橋模塊順次連接，三相整流模塊、第一IGBT半橋模塊、第二 IGBT半橋模塊均安裝在第一水冷散熱器上；所述第一 U形銅管和第二U形銅管各有一端穿過環(huán)形變壓器磁芯，共同構(gòu)成功率變壓器副邊繞組；所述第一 U形銅管的穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端接到第一組共陰極整流二極管模塊的陽極，另一端接到負(fù)極輸出銅排；第二 U形銅管的未穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端接到第二組共陰極整流二極管模塊的陽極，另一端接到負(fù)極輸出銅排。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，其特征在于所述第一 U形銅管和第二 U形銅管分別用一根空心銅管彎成U字形，且第一 U形銅管未穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端向內(nèi)彎折與第二U形銅管穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端一起連接到負(fù)極輸出銅排，第二U形銅管穿過環(huán)形變壓器磁芯的一端向外彎折；所述第一U形銅管向內(nèi)彎折的一端和第二U形銅管向外彎折的一端一起穿過濾波磁環(huán)連接到負(fù)極輸出銅排，構(gòu)成輸出濾波電感。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，其特征在于所述第一、第二兩組共陰極整流二極管模塊的陰極均安裝在第二水冷散熱器上，第二水冷散熱器與正極輸出銅排連接；所述功率變壓器原邊繞組的一端與第一 IGBT半橋模塊的輸出端連接，另一端與第二 IGBT半橋模塊的輸出端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，其特征在于所述交流接觸器、三相整流模塊、第一 IGBT半橋模塊、第二 IGBT半橋模塊、負(fù)極輸出銅排和正極輸出銅排分別通過導(dǎo)線與控制電路連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述水冷型大功率高頻開關(guān)電源，其特征在于所述控制區(qū)通過開有導(dǎo)線過孔的鋁合金板與高壓區(qū)、低壓區(qū)隔開，高壓區(qū)與低壓區(qū)通過鋁合金板隔開。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述水冷型大功率高頻開關(guān)電源，其特征在于功率變壓器原邊繞組由多股漆包線均勻繞于環(huán)形變壓器磁芯構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源，其特征在于所述濾波磁環(huán)由多個(gè)鐵粉芯磁環(huán)疊加構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源，其特征在于所述第一組共陰極整流二極管模塊、第二組共陰極整流二極管模塊均包含多個(gè)整流二極管模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水冷型大功率高頻開關(guān)電源，其特征在于冷卻水依次流過第二水冷散熱器、第一水冷散熱器、第一 U形銅管和第二 U形銅管，第二水冷散熱器、第一水冷散熱器、第一 U形銅管和第二 U形銅管之間通過編織膠管密封連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種水冷型大功率高頻開關(guān)電源裝置，分為高壓區(qū)、低壓區(qū)和控制區(qū)，控制電路位于控制區(qū)，主功率電路包括高壓區(qū)和低壓區(qū)，所述高壓區(qū)包括交流接觸器、三相整流模塊、第一IGBT半橋模塊、第二IGBT半橋模塊和第一水冷散熱器；低壓區(qū)包括環(huán)形變壓器磁芯、功率變壓器原邊繞組、第一U形銅管、第二U形銅管、第二水冷散熱器、負(fù)極輸出銅排、正極輸出銅排、第一組共陰極整流二極管模塊、第二組共陰極整流二極管模塊和濾波磁環(huán)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)非常緊湊、功率密度高、熱分布均勻、使用銅材、鋁材少、成本低，特別適用于水冷型大功率高頻開關(guān)電源領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02M1/00GK102957302SQ20121044820
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者杜貴平, 何正東 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)