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一、 行業現狀

當前太陽能的大規模應用推動光伏行業整體向前發展，同時，LED技術又刮起了一股新能源節能風。隨著砷化鎵在光伏太陽能產業、光電子領域、微電子領域以及軍事電子領域的應用日益廣泛，生產砷化鎵晶棒的晶爐控制系統愈發起到舉足輕重的作用。在此基礎上，如何保障對溫度條件要求苛刻的晶爐安全持續生產，如何為整個控制系統選擇合適又可靠的供電配置顯得至關重要。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中的成功應用使用戶避免了嚴重的經濟損失，并從繁瑣的人工日常監控中解放出來，獲得了用戶的高度認可與衷心贊譽。

二、 基于晶爐控制系統的方案

1. 問題描述

本方案中，客戶是以砷化鎵、鍺等半導體材料的生產、銷售為主營的高科技企業。這些半導體材料是太陽能、LED、微電子等行業不可或缺的原材料。單晶爐內晶體生長是整個生產中的最關鍵的工藝。每個砷化鎵晶體在爐內的生長周期長達4~6天，生長過程中爐內溫度通過控制器調控以階梯方式增長。在此周期中，一旦對控制器的直流供電中斷，控制器的設定溫度就會復位到起始值，導致爐內實際溫度與晶體生長所需溫度無法匹配，致使石英單晶爐或多晶爐內的溫度發生不規則變化，進而可能導致晶爐中正在生長的砷化鎵晶體報廢，甚至會引起爐內溫度過高，使得石英爐體膨脹而報廢。其整個過程將造成砷化鎵晶體、石英爐爐體、時間、電力以及人工成本等近百萬元的經濟損失。客戶曾經發生過幾次停電事故，起因是控制系統前端的AC UPS因本身質量問題而使輸出供電中斷，引起對控制器的直流供電回路中斷進而導致控制系統失控。AC UPS系統的體積大，輸出干擾強，故障率高等附帶缺點也為客戶造成了很大的困擾。如圖1為原交流UPS供電方案。

綜上所述，用戶原供電方案的問題可總結為：

1) 原方案只是針對市電斷電有所準備，但是一旦AC UPS本身發生故障，會使其后單路連接的控制器的直流供電中斷，進而導致全部控制系統癱瘓;

2) 由于AC UPS很難做到絕對的“零切換”，市電斷電時，需要一定的切換時間，而如果后續直流電源沒有一定的緩沖能力，會造成對控制器的供電不夠穩定;

3) 如果AC UPS的輸出干擾無法被后續的直流電源有效屏蔽，可能引起控制器的錯誤關斷或其它誤動作;

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

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上，使用穩定、高可靠性的直流電源和DC UPS，為相應負載提供穩定不間斷的輸入。因為雙路冗余DC UPS無論是在系統外市電缺失的情況下還是其本身發生故障，都能夠保證自動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機，并按要求進行軟硬件通訊，發送相應信號到上位機，方便工作人員及時發現和解決回路問題，以此來有效地保護爐體設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，這就對冗余系統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，實現真正的冗余備用功能。電源，DC UPS，冗余模塊三者構成了最高可靠性的直流回路。以下是普爾世電源產品，圖2為CS10.244, 輸出為24V10A電源，圖3為UB10.241，輸出為24V， 10A DC UPS。

整個直流供電系統還需要配備兩塊鉛酸電池 (12V/12Ah) ，以及為DC UPS配備信號通訊系統。鉛酸電池用來在主回路斷電時為DC UPS供電;信號通訊系統則用來告知客戶在各個使用情況下的回路狀態，以便對故障電路做出第一時間報警。

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量測試不通過，需要更換電池。

由上述方案的選定，再結合用戶的原方案對比可知，PULS普爾世為用戶提供的新方案可以解決以下問題：

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

2) 市電斷電時，由于是直流電源切換到電池，中間不會產生停頓，真正做到“零切換”時間，使其對控制器的供電足夠穩定;

3) 直流輸出的干擾相對較小，不易引起控制器的錯誤關斷或其它誤動作;

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

4. 普爾世電源的綜合優勢

在本案例中，普爾世的直流不間斷冗余系統還具有一些獨特的優勢，因此也為用戶帶來了更多的便利。

4.1. 穩定的UPS輸出電壓

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

基于這個原因，普爾世特別在技術方面設計做到了在緩沖模式下的直流不間斷電源UB10.241能夠輸出穩定的電壓，保持恒定的輸出電壓22. 5V(如圖6)，同時具有4 秒內的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，使負載能夠正常工作，尤其是像晶爐控制器這樣關鍵的重要負載。

4.2. 優秀的電池管理技術

普爾世精確的電池管理技術能夠避免電池過充、欠充或深度放電，有效地延長電池的使用壽命。

熟悉電池管理的人都知道，在一定環境溫度下，電池有一定的滿充電壓，與該滿充電壓完全一致時，電池可以達到最長的使用壽命。傳統的雙電池串聯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充或欠充(如圖7)。而普爾世電源的DC UPS獨有的單電池供電方案，只需要對單個電池充電和管理(如圖8)，能更準確地監測充電截止電壓以保護電池，延長其使用壽命，為用戶節約大量維護及更換的成本。

另外，普爾世DC UPS可以根據現場的環境溫度設定滿充電壓，電池相應被充電至該電壓，保證電池最優的使用壽命。盡管如此，普爾世 DC UPS也可以選配其它廠家電池，用戶不會因此受到電池品牌限制的困擾。

4.3. 強大的自身保護能力

普爾世電源產品都有很強的過載能力以及保護能力。例如，普爾世電源具有短路保護，過溫保護，過載保護和過壓保護等能力。DC UPS除此之外還具有電池極性反向保護，錯誤電池電壓保護，電池深度放電保護的功能。其中輸出過壓保護能預防對負載產生大電壓沖擊，保護負載免受傷害，尤其是控制器等關鍵負載。因此，不僅能夠保證電源本身的使用壽命，對用戶方的設備和操作人員亦可進行全方面的保護。

4.4. 卓越的電源綜合特性

在市場上以產品特點“簡約、強勁、穩健、高效”而著稱的普爾世電源，其優勢還在于其電源本身高技術含量的綜合性能。以本案例中的CS10.244為例：其重量僅為700g，轉換效率達到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，降低接線的復雜度，甚至還節省出更多的空間;其獨特而卓越的系統散熱可以增強內部零件的使用壽命，提高產品的轉換效率與可靠性，從電能利用率和后期維護角度為客戶節約了不容忽視的成本;它本身超過15年(輸入230V，輸出24V，10A，環境溫度為 25℃)的預期使用壽命，又能夠大大增加了用戶更換的周期。此外，CS10.244的使用環境溫度為0℃—70℃，60℃以上才需要適當降額。綜合看來它是一款足以適應各種惡劣復雜應用環境的高可靠電源產品。

三、 總結

普爾世電源的卓越技術，高可靠性，高效率，強大的輸出能力，配套電池的長壽命，最快捷的更換維修時效，最優質的服務不但能為客戶帶來最穩定的電力輸出，最高的可用性以及方便的后期維護性，也為客戶帶來了最滿意的使用效果。

普爾世電源是一家專業生產DIN導軌式工控電源的德國公司，在導軌式工控電源市場具有先進的生產研發技術和領先的全球市場份額。在中國的產業升級和出口復蘇的大環境下，作為世界公認的工控電源領域的技術領袖，普爾世電源時刻密切關注國內整體行業的走向，并全力支持國內的工控行業的技術升級。