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，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峻的挑戰(zhàn)。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)?shù)脑?，開關(guān)電源運行時有可能因為溫度過高、機械振動、電磁干擾等造成故障。因此，開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響到開關(guān)電源系統(tǒng)能否長時間穩(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連線較長、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頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。本發(fā)明為達到上述目的，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，另一端接到負極輸出銅排。進一步的，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)連接到負極輸出銅排，構(gòu)成輸出濾波電感。
進一步的，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。進一步的，所述濾波磁環(huán)由多個鐵粉芯磁環(huán)疊加構(gòu)成。進一步的，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整流二極管模塊。進一步的，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，在工作時通過冷卻水對兩根銅管進行冷卻。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)電源因為輸出電流大、頻率高，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)熱嚴重，同時由于構(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問題。同時使用銅排或?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)計使整個大功率高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)非常緊湊、簡潔、散熱效果好，節(jié)省大量銅材、鋁材，降低了成本。


圖I為實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.負極輸出銅排，15.濾波磁環(huán)，16.控制電路。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細敘述。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電源上，運行四個月，每次連續(xù)滿載運行7小時，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)，并均能在半小時達到穩(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施例僅是對本發(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)明的原理和實質(zhì)的前提下對本具體實施例做出各種修改或補充或者采用類似的方式替代，但是這些改動均落入本發(fā)明的保護范圍。因此本發(fā)明技術(shù)范圍不局限于上 述實施例。
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H02M1/00GK102957302SQ20121044820
公開日2013年3月6日 申請日期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 申請人:華南理工大學(xué)