一種整流換向模塊和具有輸出換向功能的高頻整流電源的制作方法
【專利摘要】一種整流換向模塊和具有輸出換向功能的高頻整流電源，所述高頻整流電源包括整流換向模塊，所述整流換向模塊包括兩個串聯單元，每個串聯單元又包括兩個并聯系列，每個并聯系列由一個以上的MOSFET即場效應管并聯組成，每個所述串聯單元由兩個所述并聯系列共源極或共漏極串聯而成，串聯的兩個并聯系列的源極及柵極構成該串聯單元的控制信號輸入端，共源極串聯的兩個并聯系列的兩個漏極或共漏極串聯的兩個并聯系列的兩個源極分別構成該串聯單元的輸入端和輸出端。本發明高頻整流電源的成本低、損耗低、結構簡單，且具有正負換向輸出功能。
【專利說明】一種整流換向模塊和具有輸出換向功能的高頻整流電源
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種整流換向模塊和設置有所述整流換向模塊的具有正負換向輸出功能的高頻整流電源，該高頻整流電源可作為電鍍電源應用在電鍍行業。
【背景技術】
[0002]電鍍是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其他金屬或者合金的過程，它利用表面附著的金屬膜起到防腐、耐磨、導電、增進美觀等作用。可以說，電鍍技術與我們生活息息相關，我們所能見到的絕大多數金屬包括手機、窗框、椅子等都可能經電鍍處理過。因而伴隨著國民經濟的快速發展，我國的電鍍工業自改革開放以來發展得非常迅速，總體技術水平和產品質量有了很大的提高。
[0003]電鍍電源作為電鍍過程進行的核心部件，其指標主要體現在輸出功率大小、耗電多少、自動化先進程度、與電鍍工藝的波形匹配等方面，待解決的主要問題在于如何實現輸出電流的換向。輸出電流換向如何實現才能讓設備更可靠，損耗更低，實現更簡單是本發明研宄的重點。
[0004]傳統的高頻整流電源主要由主電路和控制電路組成，其中主電路又主要由以下幾個模塊組成:整流濾波模塊:將交流電網輸入整流為直流電，以供下一級變換；逆變模塊:將整流后的直流電變為高頻交流電；輸出整流模塊:將高頻交流電整流成負載需要的直流電源。在需要實現輸出電流換向的時候，上述高頻整流電源的輸出端還需另接電流換向模塊。
[0005]本發明創造性的將高頻整流電源變壓器二次側的肖特基整流部分換成了串聯的MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 的簡稱)整流，直接通過控制MOSFET開通來實現換向。
【發明內容】
[0006]本發明的第一發明目的在于提供一種能同時實現整流與正負換向輸出功能的整流換向模塊。
[0007]本發明的第二發明目的在于提供一種成本低、損耗低、結構簡單，具有正負換向輸出功能的高頻整流電源。
[0008]本發明的第一發明目的通過如下技術方案實現:一種整流換向模塊，其特征在于，所述整流換向模塊包括兩個串聯單元，每個串聯單元又包括兩個并聯系列，每個并聯系列由一個以上的MOSFET即場效應管并聯組成，每個所述串聯單元由兩個所述并聯系列共源極或共漏極串聯而成，串聯的兩個并聯系列相連的源極或漏極及各自的柵極構成該串聯單元的控制信號輸入端，共源極串聯的兩個并聯系列的兩個漏極或共漏極串聯的兩個并聯系列的兩個源極分別構成該串聯單元的輸入端和輸出端。
[0009]所述場效應管為N溝增強型。
[0010]本發明的第二發明目的通過如下技術方案實現:一種具有輸出換向功能的高頻整流電源，包括主電路和控制電路，所述主電路包括依次相連的整流濾波模塊、逆變模塊和輸出整流模塊，所述控制電路與所述逆變模塊相連；
其特征在于，所述輸出整流模塊由變壓器和整流換向功能單元組成，所述整流換向功能單元包括所述整流換向模塊和MOSFET驅動及控制電路，所述MOSFET驅動及控制電路與所述整流換向模塊的控制信號輸入端相連，所述變壓器的一次測與所述逆變模塊相連，所述變壓器具有中心抽頭，所述變壓器二次側的兩輸出端分別與兩所述串聯單元的輸入端相連，兩所述串聯單元的輸出端相連作為所述高頻整流電源的一個直流輸出端，所述變壓器的中心軸頭作為所述高頻整流電源的另一個直流輸出端；
所述MOSFET驅動及控制電路控制兩個所述串聯單元同一側即輸入側或輸出側的兩個并聯系列開通，對兩個所述串聯單元另一側的兩個并聯系列進行同步整流驅動實現整流，所述MOSFET驅動及控制電路切換所述串聯單元中兩個所述并聯系列的狀態，實現輸出電流的換向。
[0011]作為本發明的高頻整流電源的優選實施方式，所述整流換向功能單元的各電路元件都排布在PCB板，以便利用PCB板良好的散熱特性來輔助散熱。所述PCB板的基材可以是玻纖布或鋁或陶瓷等其它多種形式。
[0012]所述高頻整流電源還包括風冷鋁排或水冷散熱器，所述PCB板安裝在所述風冷鋁排或水冷散熱器上。
[0013]所述MOSFET驅動及控制電路位于所述PCB板上的場效應管的安裝區域的一側，以便降低干擾，且方便與總控制器連接。
[0014]所述場效應管為貼片型封裝的場效應管，所述串聯單元的場效應管分兩排貼焊在所述PCB板上的銅箔或鋁箔上，每個所述銅箔或鋁箔上焊接一個所述場效應管，兩排所述場效應管一一相對，每排所述場效應管構成一個所述并聯系列，所述PCB板上還安裝有輸入銅排和輸出銅排，所述輸入銅排和輸出銅排呈長方形，在所述輸入銅排、輸出銅排的一長邊上設有多個方形齒，所述輸入銅排上的方形齒與所述串聯單元的輸入端所在的銅箔或鋁箔一一焊接，所述輸出銅排上的方形齒與所述串聯單元的輸出端所在的銅箔或鋁箔一一焊接，所述輸入、輸出銅排上還都設置有便于與外電路連接的開孔。
[0015]所述輸入銅排與輸出銅排結構相異，以便區分。
[0016]同排的所述銅箔或鋁箔間彼此獨立，在PCB板上互不連接，這樣的好處在于提高MOSFET的均流效果。
[0017]同一串聯單元的兩排場效應管的串聯端相向，且通過PCB板上連接兩銅箔或鋁箔的連接銅箔或鋁箔串聯。
[0018]所述串聯單元兩排場效應管的上、下側分別橫向設置有一條銅箔或鋁箔引線，銅箔或鋁箔引線靠近所述MOSFET驅動及控制電路的一端與所述MOSFET驅動及控制電路相連，上側的所述銅箔或鋁箔引線的下方設有多個分別與其相連的觸點，下側的所述銅箔或鋁箔引線的上方也設有多個分別與其相連的觸點，每個觸點附近分別設置有一接點，各場效應管的柵極分別通過PCB板上分布在各場效應管側邊的驅動信號引線與相應的所述接點相連，場效應管的串聯端分別通過PCB板上分布在上排的各場效應管側邊的引線引出至設置在上排各場效應管上方的節點處，或分別通過PCB板上分布在下排的各場效應管側邊的引線引出至設置在下排各場效應管下方的節點處。
[0019]所述整流換向功能單元的每個串聯單元和該串聯單元的MOSFET驅動及控制電路排布在一塊PCB板上。
[0020]所述輸入銅排和輸出銅排厚度在0.之間。
[0021]相對于現有技術本發明具有如下有益效果:
1)本發明利用串聯的MOSFET直接控制高頻變壓器二次側的整流和直流電流電壓的輸出方向，能極大的簡化傳統換向電路的電氣難度，目前市場上有三種換向方式:采用正向模塊和反向模塊式、在單向輸出模塊后利用刀閘或接觸器控制負載電流方向、在單向輸出模塊后利用MOSFET控制負載電流方向，這些換向方式無論在可靠性、元器件的成本、實現難度、技術先進性上都不如本發明；
2)本發明將所有元器件通過焊接機焊接在PCB板上，易于實現批量化生產，同時，PCB板的超強的散熱能力也能加速MOSFET的散熱；
3)輸入、輸出銅排通過方形齒與PCB板上的銅箔或鋁箔焊接，從而實現與MOSFET的連接，使MOSFET的輸出、輸入端分別通過輸出銅排、輸入銅排并聯，銅排上方形齒的設計，一方面方便了銅排的焊接，另一方面，也能最大程度的保證并聯的MOSFET的均流效果。
[0022]4)換向部分以PCB板為單位制造，在容量上易于擴展。同時也易于維護，易于故障分析。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明具體實施例的電路原理圖；
圖2~5是圖1中具體實施例在各種情況下的電流流向圖；
圖6是本發明整流換向模塊的一個串聯單元的結構排布圖；
圖7是圖6中并聯單元的電路原理圖；
圖8是本發明的輸入、輸出銅排的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]本發明具有輸出換向功能的高頻整流電源的主要發明點在于將傳統高頻整流電源高頻變壓器二次側用于整流的肖特基替換成了本發明的整流換向功能單元。
[0025]圖1為本發明具有輸出換向功能的高頻整流電源的一個實施例，該高頻整流電源主要由主電路和控制電路(未畫出)組成。主電路主要由以下幾個模塊組成:整流濾波模塊，逆變模塊，輸出整流模塊。控制電路與逆變模塊相連，控制逆變模塊的頻率或脈寬，使輸出穩定。
[0026]整流濾波模塊:將交流電網輸入整流為直流電，即圖1中的三相整流橋和并聯在其兩輸出端的濾波電容。
[0027]逆變模塊:將整流后的直流電變為高頻交流電，即圖1中的兩兩串聯后并聯在整流濾波模塊的兩輸出端的四個IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor的簡稱)，每個IGBT的發射極和集電極間還串聯有一電容，該電容的作用是實現IGBT的軟開關。
[0028]輸出整流模塊:將高頻交流電整流成負載需要的直流電源，包括圖1中的變壓器和整流換向功能單元。變壓器一次側的兩輸入端分別與逆變模塊中IGBT串聯的集電極和發射極相連，變壓器一次測的一輸入端上還串聯有一耦合電容。整流換向功能單元包括整流換向模塊和MOSFET驅動及控制電路。
[0029]整流換向模塊包括兩個串聯單元，每個串聯單元又包括兩個并聯系列Q1和Q2，或Q3和Q4，每個并聯系列Q1或Q2或Q3或Q4由一個以上的場效應管并聯組成，本實施例中，每個并聯系列由10個場效應管并聯而成，每個串聯單元由兩個并聯系列Q1和Q2，或Q3和Q4共源極串聯而成，兩個并聯系列的源極及柵極構成該串聯單元的控制信號輸入端，兩個并聯系列的兩個漏極分別構成該串聯單元的輸入端和輸出端。變壓器二次側的兩個輸出端分別與兩個串聯單元的輸入端相連，兩個串聯單元的輸出端相連作為高頻整流電源的一個直流輸出端，變壓器的中心軸頭作為高頻整流電源的另一個直流輸出端。
[0030]MOSFET驅動及控制電路與整流換向模塊的控制信號輸入端相連。如圖1所示，當4個并聯系列Ql、Q2、Q3、Q4都處于關閉狀態時，設備不輸出電流。
[0031]僅當Q1和Q3兩個并聯系列保持開通時，由于Q2和Q4兩個并聯系列內部反并二極管(為場效應管MOSFET內部本身帶有的二極管)的存在，高頻整流電源輸出正向電壓電流，此時，對Q2和Q4兩個并聯系列進行同步整流驅動實現整流，如圖2、3所示。圖2中所示為變壓器輸出電壓上半周時，整流換向模塊中電流的走向和輸出電壓的極性，圖3為變壓器輸出電壓下半周時，整流換向模塊中電流的走向和輸出電壓的極性。
[0032]僅當Q2和Q4兩個并聯系列保持開通時，由于Q1和Q3兩個并聯系列內部反并二極管的存在，高頻整流電源輸出反向電壓電流，如圖4、5所示，此時，對Q1和Q3兩個并聯系列進行同步整流驅動實現整流。圖4中所示為變壓器輸出電壓上半周時，整流換向模塊中電流的走向和輸出電壓的極性，圖5為變壓器輸出電壓下半周時，整流換向模塊中電流的走向和輸出電壓的極性。
[0033]本發明的高頻整流電源具有正負換向輸出功能，而且用一個整流換向模塊完成了整流和輸出電流換向兩個流程，結構簡單，成本低，損耗低。
[0034]本發明的高頻整流電源的結構布置如圖6、7所示:
將貼片型封裝的MOSFET分兩排通過焊接機貼焊在PCB板中間位置的兩排銅箔上，每個銅箔上焊接一個MOSFET，每排MOSFET構成一個并聯系列，本實施例中每個并聯系列中包含10個MOSFET。兩排MOSFET——相對，且MOSFET源極和柵極的一側相向，如圖7所示。PCB板上同排的銅箔間彼此獨立，在PCB板上互不連接，這樣的好處在于提高MOSFET的均流效果。相對的兩個MOSFET的源極通過PCB板上連接相對的兩銅箔的連接銅箔相連。兩個并聯系列共源極串聯，能減少模塊隔離電源的數量，同時，同一基板上使用同一電源，能有效避免不共地引起的噪聲和干擾。
[0035]PCB板上還安裝有輸入、輸出銅排，如圖8所示，輸入、輸出銅排整體呈長方形，厚度在0.之間，在銅排的一長邊上設有10個方形齒，輸入、輸出銅排通過其上的方形齒與PCB板上相應的并聯系列MOSFET漏極一側的銅箔通過錫焊方式連接，并聯的MOSFET的電流最終在銅排上匯集。輸入、輸出銅排異形，輸入、輸出銅排上還設置有便于與外電路連接的開孔。
[0036]輸入、輸出銅排與PCB板通過錫焊方式連接，一方面提供了電流通路，而且通過焊錫方式連接，連接可靠，損耗較小，且僅靠錫焊機就可完成，另一方面，由于流經MOSFET的電流為高頻方波電流，集膚效應明顯，銅排發熱明顯，通過錫焊方式連接，銅排的熱量可以通過PCB板傳遞開，如傳遞至散熱器等進行快速散熱，有利于降低系統的溫度，提高電源的可靠性。
[0037]在PCB板上銅箔的上、下側，分別橫向設置有一條銅箔引線，銅箔引線的左端與位于PCB板左側的MOSFET驅動及控制電路相連。MOSFET驅動及控制電路布置在MOSFET安裝區域的一側，能在一定程度上降低干擾，而且也方便與總控制器連接。上側的銅箔引線下方的PCB板上設有多個分別與其相連的觸點，下側的銅箔引線上方的PCB板上也設有多個分別與其相連的觸點。每個觸點附近分別設置有一接點，MOSFET的柵極分別通過PCB板上分布在各MOSFET側邊的驅動信號引線與相應的接點相連，以便在每組接點和觸點點可以方便的接入驅動電阻。MOSFET的源極由PCB板上分布在上排各MOSFET側邊的引線引出至位于上排各MOSFET上方的節點處。
[0038]本發明換向整流模塊的所有元器件均規則地排布在PCB板上，可充分利用PCB板良好的散熱能力，也可方便的固定在高頻整流電源的水冷鋁排或風冷散熱器上。
[0039]本發明的【具體實施方式】不限于上述實施例，如本發明的兩個并聯系列也可以采用共漏極串聯的方式，此時兩個并聯系列的兩個源極則分別構成該串聯單元的輸入端和輸出端，而且安裝在PCB板上一一相對的MOSFET推薦采用漏極相向的安裝方式，共漏極串聯的方式的串聯單元的其它線路的布置可參見上述實施例。另外，本發明的換向整流模塊也可用于倍流整流電路。總之，本發明的【具體實施方式】不限于上述實施例，根據本發明的上述內容和本領域的普通技術知識及慣用手段，在不脫離本發明基本技術思想的前提下，對本發明上述結構做出的其它多種形式的修改、替換或變更，均應落在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種整流換向模塊，其特征在于，所述整流換向模塊包括兩個串聯單元，每個串聯單元又包括兩個并聯系列，每個并聯系列由一個以上的MOSFET即場效應管并聯組成，每個所述串聯單元由兩個所述并聯系列共源極或共漏極串聯而成，串聯的兩個并聯系列的源極及柵極構成該串聯單元的控制信號輸入端，共源極串聯的兩個并聯系列的兩個漏極或共漏極串聯的兩個并聯系列的兩個源極分別構成該串聯單元的輸入端和輸出端。
2.根據權利要求1所述的整流換向模塊，其特征在于，所述場效應管為N溝增強型。
3.一種具有權利要求1或2所述的整流換向模塊的具有輸出換向功能的高頻整流電源，所述高頻整流電源包括主電路和控制電路，所述主電路包括依次相連的整流濾波模塊、逆變模塊和輸出整流模塊，所述控制電路與所述逆變模塊相連； 其特征在于，所述輸出整流模塊由變壓器和整流換向功能單元組成，所述整流換向功能單元包括所述整流換向模塊和MOSFET驅動及控制電路，所述MOSFET驅動及控制電路與所述整流換向模塊的控制信號輸入端相連，所述變壓器的一次測與所述逆變模塊相連，所述變壓器具有中心抽頭，所述變壓器二次側的兩輸出端分別與兩所述串聯單元的輸入端相連，兩所述串聯單元的輸出端相連作為所述高頻整流電源的一個直流輸出端，所述變壓器的中心軸頭作為所述高頻整流電源的另一個直流輸出端； 所述MOSFET驅動及控制電路控制兩個所述串聯單元同一側即輸入側或輸出側的兩個并聯系列開通，對兩個所述串聯單元另一側的兩個并聯系列進行同步整流驅動實現整流，所述MOSFET驅動及控制電路切換所述串聯單元中兩個所述并聯系列的狀態，實現輸出電流的換向。
4.根據權利要求3所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，所述整流換向功能單元的各電路元件都排布在PCB板，所述PCB板的基材為玻纖布或鋁或陶瓷。
5.根據權利要求4所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，所述高頻整流電源還包括風冷鋁排或水冷散熱器，所述PCB板安裝在所述風冷鋁排或水冷散熱器上。
6.根據權利要求4所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，所述MOSFET驅動及控制電路位于所述PCB板上的場效應管的安裝區域的一側。
7.根據權利要求6所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，所述場效應管為貼片型封裝的場效應管，所述串聯單元的場效應管分兩排貼焊在所述PCB板上的銅箔或鋁箔上，每個所述銅箔或鋁箔上焊接一個所述場效應管，兩排所述場效應管一一相對，每排所述場效應管構成一個所述并聯系列，所述PCB板上還安裝有輸入銅排和輸出銅排，所述輸入銅排和輸出銅排呈長方形，在所述輸入銅排、輸出銅排的一長邊上設有多個方形齒，所述輸入銅排上的方形齒與所述串聯單元的輸入端所在的銅箔或鋁箔一一焊接，所述輸出銅排上的方形齒與所述串聯單元的輸出端所在的銅箔或鋁箔一一焊接，所述輸入、輸出銅排上還都設置有便于與外電路連接的開孔。
8.根據權利要求7所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，同排的所述銅箔或鋁箔間彼此獨立。
9.根據權利要求8所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，同一串聯單元的兩排場效應管的串聯端相向，且通過PCB板上連接兩銅箔或鋁箔的連接銅箔或鋁箔串聯。
10.根據權利要求9所述的具有輸出換向功能的高頻整流電源，其特征在于，所述串聯單元兩排場效應管的上、下側分別橫向設置有一條銅箔或鋁箔引線，銅箔或鋁箔引線靠近所述MOSFET驅動及控制電路的一端與所述MOSFET驅動及控制電路相連，上側的所述銅箔或鋁箔引線的下方設有多個分別與其相連的觸點，下側的所述銅箔或鋁箔引線的上方也設有多個分別與其相連的觸點，每個觸點附近分別設置有一接點，各場效應管的柵極分別通過PCB板上分布在各場效應管側邊的驅動信號引線與相應的所述接點相連，場效應管的串聯端分別通過PCB板上分布在上排的各場效應管側邊的引線引出至設置在上排各場效應管上方的節點處，或分別通過PCB板上分布在下排的各場效應管側邊的引線引出至設置在下排各場效應管下方的節點處。
【文檔編號】C25D5/18GK104451798SQ201410649308
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】丁小松, 漆峻銘 申請人:廣州擎天實業有限公司