CN102624253A - 一种制备多晶硅的直流还原电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电路设计技术领域中的一种制备多晶硅的直流还原电源，用以解决传统多晶硅制备过程中还原电源存在的电能质量问题。该直流还原电源包括移相整流变压器和直流斩波变换器；移相整流变压器的初级绕组采用三角形连接方式，移相整流变压器的次级绕组之间移相20度且携带一组二极管整流单元；直流斩波变换器由高频直流斩波器组构成，每组高频直流斩波器包括第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路、第一切换开关组、第二切换开关组、第三切换开关组、第四切换开关组、第一二极管和第二二极管；直流斩波变换器中斩波电路的数量与所述直流还原电源的负载数量一致。本发明解决了传统多晶硅制备过程中还原电源存在的电能质量问题。

Description

一种制备多晶硅的直流还原电源

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，尤其涉及一种制备多晶硅的直流还原电源。

背景技术

传统的多晶硅制备过程中一般采用交流还原电源，该类交流电源采用交流调压的方式，如图1所示，通过调节晶闸管的触发角来改变输出电压的大小。近年来也有一些直流还原电源投入运行，如图2所示，该类电源后级直流-直流功率变换部分采用单个斩波模块输出，前级交流-直流功率变换部分采用晶闸管整流调压的方式。无论是交流还原电源还是直流还原电源，由于前级都是通过晶闸管接入供电电网，必然存在网侧功率因数低、谐波含量大等诸多电能质量问题，一般都需另外配置无功补偿、谐波治理等电力电子装置，大大增加了企业投入和生产成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备多晶硅的直流还原电源，采用移相多脉波整流和高频模块化直流斩波相结合的方式解决传统多晶硅制备过程中还原电源单位能耗高、功率因数低和谐波含量大等电能质量问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种制备多晶硅的直流还原电源，其特征是所述直流还原电源包括移相整流变压器和直流斩波变换器；

其中，所述移相整流变压器的初级绕组采用三角形连接方式，移相整流变压器的次级绕组分为三组，每组移相整流变压器的次级绕组均采用三角形连接方式，且每组移相整流变压器的次级绕组之间移相20度；每组移相整流变压器的次级绕组携带一组二极管整流单元，从而构成三组独立的直流电源，分别记为第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源；

所述二极管整流单元由三组整流二极管对、一个预缓冲电路和一个支撑电容组成；每组整流二极管对由两个整流二极管串联组成；预缓冲电路由预缓冲电阻和预缓冲开关串联组成；三组整流二极管对并联后与预缓冲电路串联，之后再与支撑电容并联；

所述直流斩波变换器由高频直流斩波器组构成，每组高频直流斩波器包括第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路、第一切换开关组、第二切换开关组、第三切换开关组、第四切换开关组、第一二极管和第二二极管；

所述直流斩波变换器中斩波电路的数量与所述直流还原电源的负载数量一致；

所述第一切换开关组、第二切换开关组和第三切换开关组均包括第一联动开关和第二联动开关；第四切换开关组包括第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关和第四联动开关；

所述第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输入端的正极分别与第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源的正极相连，第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输入端的负极分别与第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源的负极相连；

所述第一二极管的正极与第一斩波电路的输出端的负极相连，第一二极管的负极与第二斩波电路的输出端的正极相连；

所述第二二极管的正极与第二斩波电路的输出端的负极相连，第二二极管的负极与第三斩波电路的输出端的正极相连；

所述第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输出端的正极和第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输出端的负极之间分别接直流还原电源的负载；

所述第一切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路的输出端的正极和第二斩波电路的输出端的正极相连，第一切换开关组的第二联动开关分别与第二斩波电路的输出端的正极和第三斩波电路的输出端的正极相连；

所述第二切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路的输出端的负极和第二斩波电路的输出端的负极相连，第二切换开关组的第二联动开关分别与第二斩波电路的输出端的负极和第三斩波电路的输出端的负极相连；

所述第三切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路的输出端的正极和直流还原电源的负载相连；第三切换开关组的第二联动开关分别与第三斩波电路的输出端的负极和直流还原电源的负载相连；

所述第四切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路输出端的负极和第一二极管的正极相连，第四切换开关组的第二联动开关分别与第二斩波电路的输出端的正极和第一二极管的负极相连，第四切换开关组的第三联动开关分别与第二斩波电路的输出端的负极和第二二极管的正极相连，第四切换开关组的第四联动开关分别与第三斩波电路的输出端的正极和第二二极管的负极相连。

所述移相整流变压器的铁芯为三相三柱式结构。

所述直流还原电源的负载为硅棒。

本发明解决了传统多晶硅制备过程中还原电源单位能耗高、功率因数低和谐波含量大等电能质量问题。

附图说明

图1是传统的交流还原电源的电路结构图；

图2是传统的直流还原电源的电路结构图；

图3是本发明提供的直流还原电源的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图3是本发明提供的直流还原电源的电路结构图。图3中，本发明以直流还原电源的负载为18对硅棒为例，说明制备多晶硅的直流还原电源的结构。如图3所示，本发明提供的制备多晶硅的直流还原电源包括移相整流变压器101和直流斩波变换器。

移相整流变压器101的铁芯为三相三柱式结构，其初级绕组(X，Y，Z)采用三角形连接方式。移相整流变压器101的次级绕组分为三组，即如图3所示，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)和(x3，y3，z3)。每组移相整流变压器的次级绕组均采用三角形连接方式，且每组移相整流变压器的次级绕组之间移相20度。

每组移相整流变压器的次级绕组携带一组二极管整流单元，从而构成三组独立的直流电源，分别记为第一直流电源V1、第二直流电源V2和第三直流电源V3。三组移相整流变压器的次级绕组共携带三组二极管整流单元，即二极管整流单元组102。

二极管整流单元由三组整流二极管对、一个预缓冲电路和一个支撑电容组成。每组整流二极管对由两个整流二极管串联组成；预缓冲电路由预缓冲电阻Ri(i＝1，2，3)和预缓冲开关Ki(i＝1，2，3)串联组成；三组整流二极管对并联后与预缓冲电路串联，之后再与支撑电容Ci(i＝1，2，3)并联。支撑电容Ci(i＝1，2，3)用于支撑直流侧回路的电压，使其保持稳定；对直流侧电压进行滤波和缓冲，滤除整流器直流侧的纹波电压；同时，支撑电容Ci(i＝1，2，3)还提供负载变化时的能量调节，当负载突然加大时，系统的直流电源不能瞬时地供给大量能量，引起输出的不稳定，此时电容起到一个补偿能量的作用。

每组移相整流变压器的次级绕组xi，yi和zi(i＝1，2，3)分别和与之对应的二极管整流单元的三组整流二极管对之间的导线相连。

直流斩波变换器由高频直流斩波器组构成，每组高频直流斩波器103包括第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路、第一切换开关组、第二切换开关组、第三切换开关组、第四切换开关组、第一二极管和第二二极管。

直流斩波变换器中斩波电路的数量与所述直流还原电源的负载数量一致。即如果直流还原电源的负载为12个，则斩波电路的数量为12个；如果直流还原电源的负载为24个，则斩波电路的数量为24个，以此类推。

在本例中，由于直流还原电源的负载为18对硅棒，因此直流还原电源的负载为18个，所以斩波电路相应为18个。又由于每组高频直流斩波器103含有3个斩波电路，因此高频直流斩波器组的组数就应当为6组。

每组高频直流斩波器包括第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路、第一切换开关组、第二切换开关组、第三切换开关组、第四切换开关组、第一二极管和第二二极管。

第一切换开关组、第二切换开关组和第三切换开关组均包括第一联动开关和第二联动开关；第四切换开关组包括第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关和第四联动开关。

图3中，U11，U12和U13分别代表第1组高频直流斩波器的第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路，U21，U22和U23分别代表第2组高频直流斩波器的第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路，U31，U32，U33，…，U61，U62和U63依次类推。

图3中，K111和K112分别代表第1组高频直流斩波器的第一切换开关组中的第一联动开关和第二联动开关，K211和K212分别代表第2组高频直流斩波器的第一切换开关组中的第一联动开关和第二联动开关，K311，K312，…，K511，K512，K611和K612依次类推。

图3中，K121和K122分别代表第1组高频直流斩波器的第二切换开关组中的第一联动开关和第二联动开关，K221和K222分别代表第2组高频直流斩波器的第二切换开关组中的第一联动开关和第二联动开关，K321，K322，…，K521，K522，K621和K622依次类推。

图3中，K131和K132分别代表第1组高频直流斩波器的第三切换开关组中的第一联动开关和第二联动开关，K231和K232分别代表第2组高频直流斩波器的第三切换开关组中的第一联动开关和第二联动开关，K331，K332，…，K531，K532，K631和K632依次类推。

图3中，K141、K142、K143和K144分别代表第1组高频直流斩波器的第四切换开关组中的第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关和第四联动开关，K241、K242、K243和K244分别代表第2组高频直流斩波器的第四切换开关组中的第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关和第四联动开关，K341，K342，K343，K344，…，K541，K542，K543，K544，K641，K642，K643和K644依次类推。

在本发明中，每一个切换开关组中的各个联动开关同时动作，即同时闭合或者同时断开。

图3中，D11和R12分别代表第1组高频直流斩波器的第一二极管和第二二极管，D21和R22分别代表表第2组高频直流斩波器的第一二极管和第二二极管，D31，R32，…，D51，R52，D61和R62依次类推。

图3中，R11、R12和R13分别代表与第1组高频直流斩波器的第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输出端连接的硅棒，R21、R22和R23分别代表与第2组高频直流斩波器的第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输出端连接的硅棒，R31、R32，R33，…，R51、R52，R53，R61、R62和R63依次类推。

接下来，以第1组高频直流斩波器为例，说明直流斩波器的各个组成部件之间的连接关系。其他组高频直流斩波器各个组成器件的连接关系与第1组高频直流斩波器中各个组成部件的连接关系相同。

在第1组高频直流斩波器中，第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13的输入端的正极分别与第一直流电源的正极V1+、第二直流电源的正极V2+和第三直流电源的正极V3+相连，第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13的输入端的负极分别与第一直流电源的负极V1-、第二直流电源的负极V2-和第三直流电源的负极V3-连接。

在第1组高频直流斩波器中，第一二极管D11的正极与第一斩波电路U11的输出端的负极相连，第一二极管D11的负极与第二斩波电路U12的输出端的正极相连。第二二极管D12的正极与第二斩波电路U12的输出端的负极相连，第二二极管D12的负极与第三斩波电路U13的输出端的正极相连。

在第1组高频直流斩波器中，第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13的输出端的正极和第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13的输出端的负极之间分别接硅棒R11、R12和R13。

在第1组高频直流斩波器中，第一切换开关组的第一联动开关K111分别与第一斩波电路U11的输出端的正极和第二斩波电路U12的输出端的正极相连，第一切换开关组的第二联动开关K112分别与第二斩波电路U12的输出端的正极和第三斩波电路U13的输出端的正极相连。

在第1组高频直流斩波器中，第二切换开关组的第一联动开关K121分别与第一斩波电路U11的输出端的负极和第二斩波电路U12的输出端的负极相连，第二切换开关组的第二联动开关K122分别与第二斩波电路U12的输出端的负极和第三斩波电路U13的输出端的负极相连。

在第1组高频直流斩波器中，第三切换开关组的第一联动开关K131分别与第一斩波电路U11的输出端的正极和硅棒R11相连；第三切换开关组的第二联动开关K132分别与第三斩波电路U13的输出端的负极和硅棒R13相连。

在第1组高频直流斩波器中，第四切换开关组的第一联动开关K141分别与第一斩波电路U11的输出端的负极和第一二极管D11的正极相连，第四切换开关组的第二联动开关K142分别与第二斩波电路U12的输出端的正极和第一二极管D11的负极相连，第四切换开关组的第三联动开关K143分别与第二斩波电路U12的输出端的负极和第二二极管D12的正极相连，第四切换开关组的第四联动开关K144分别与第三斩波电路U13的输出端的正极和第二二极管D12的负极相连。

由于其他组高频直流斩波器的各个组成部件的连接关系与第1组高频直流斩波器的各个组成部件的连接关系相同，因此这里不再赘述。

本发明的工作原理是这样的，以第1组高频直流斩波器为例，电源启动后，由于还原前期硅棒阻值大，所需电流小，此时将第一切换开关组的第一联动开关K111和第二联动开关K112断开，同时将第二切换开关组的第一联动开关K121和第二联动开关K122断开；将第三切换开关组的第一联动开关K131和第二联动开关K132闭合，并将第四切换开关组的第一联动开关K141、第二联动开关K142、第三联动开关K143和第四联动开关K144闭合，则第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13单模块运行，分别给硅棒R11、R12和R13供电，D11和D12不导通。还原过程中硅棒直径不断增大，其阻值逐渐变小，所需电流也越来越大，至还原过程中后期，单模块运行的第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13的最大输出电流已不能继续维持硅棒生长所需电流，此时将高频直流斩波器切换至多模块并联运行模式，即将第一切换开关组的第一联动开关K111和第二联动开关K112闭合，同时将第二切换开关组的第一联动开关K121和第二联动开关K122闭合，并且第三切换开关组的第一联动开关K131和第二联动开关K132仍然闭合，而将第四切换开关组的第一联动开关K141、第二联动开关K142、第三联动开关K143和第四联动开关K144断开，则第一斩波电路U11、第二斩波电路U12和第三斩波电路U13的输出通过第一切换开关组和第二切换开关组并联在一起，而硅棒R11、R12和R13通过二极管D11和D12的正向导通自动串联起来，以增大并联斩波模块的输出电压而使斩波模块调制深度增大。

综上所述，用于制备多晶硅的直流还原电源采用移相多脉波整流和高频模块化直流斩波相结合的方式，具有系统灵活可靠、整机效率高、供电电网功率因数高、谐波含量低以及不存在三相不平衡问题等诸多优点。采用该新型直流还原电源无需再另外配置无功补偿等设备，同时还能大大降低还原过程中的单位能耗，从而降低企业的生产成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种制备多晶硅的直流还原电源，其特征是所述直流还原电源包括移相整流变压器和直流斩波变换器；

其中，所述移相整流变压器的初级绕组采用三角形连接方式，移相整流变压器的次级绕组分为三组，每组移相整流变压器的次级绕组均采用三角形连接方式，且每组移相整流变压器的次级绕组之间移相20度；每组移相整流变压器的次级绕组携带一组二极管整流单元，从而构成三组独立的直流电源，分别记为第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源；

所述二极管整流单元由三组整流二极管对、一个预缓冲电路和一个支撑电容组成；每组整流二极管对由两个整流二极管串联组成；预缓冲电路由预缓冲电阻和预缓冲开关串联组成；三组整流二极管对并联后与预缓冲电路串联，之后再与支撑电容并联；

所述直流斩波变换器由高频直流斩波器组构成，每组高频直流斩波器包括第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路、第一切换开关组、第二切换开关组、第三切换开关组、第四切换开关组、第一二极管和第二二极管；

所述直流斩波变换器中斩波电路的数量与所述直流还原电源的负载数量一致；

所述第一切换开关组、第二切换开关组和第三切换开关组均包括第一联动开关和第二联动开关；第四切换开关组包括第一联动开关、第二联动开关、第三联动开关和第四联动开关；

所述第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输入端的正极分别与第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源的正极相连，第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输入端的负极分别与第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源的负极相连；

所述第一二极管的正极与第一斩波电路的输出端的负极相连，第一二极管的负极与第二斩波电路的输出端的正极相连；

所述第二二极管的正极与第二斩波电路的输出端的负极相连，第二二极管的负极与第三斩波电路的输出端的正极相连；

所述第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输出端的正极和第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路的输出端的负极之间分别接直流还原电源的负载；

所述第一切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路的输出端的正极和第二斩波电路的输出端的正极相连，第一切换开关组的第二联动开关分别与第二斩波电路的输出端的正极和第三斩波电路的输出端的正极相连；

所述第二切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路的输出端的负极和第二斩波电路的输出端的负极相连，第二切换开关组的第二联动开关分别与第二斩波电路的输出端的负极和第三斩波电路的输出端的负极相连；

所述第三切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路的输出端的正极和直流还原电源的负载相连；第三切换开关组的第二联动开关分别与第三斩波电路的输出端的负极和直流还原电源的负载相连；

所述第四切换开关组的第一联动开关分别与第一斩波电路输出端的负极和第一二极管的正极相连，第四切换开关组的第二联动开关分别与第二斩波电路的输出端的正极和第一二极管的负极相连，第四切换开关组的第三联动开关分别与第二斩波电路的输出端的负极和第二二极管的正极相连，第四切换开关组的第四联动开关分别与第三斩波电路的输出端的正极和第二二极管的负极相连。

2.根据权利要求1所述的制备多晶硅的直流还原电源，其特征是所述移相整流变压器的铁芯为三相三柱式结构。

3.根据权利要求1或2所述的制备多晶硅的直流还原电源，其特征是所述直流还原电源的负载为硅棒。

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