CN102912423A

CN102912423A - 用于坩埚加热装置的供电装置和使其运行的方法

Info

Publication number: CN102912423A
Application number: CN2012102728103A
Authority: CN
Inventors: 乌韦·鲍姆巴赫; 迈克·鲁道夫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: EP2555585A1; CN102912423B; US20130193133A1; EP2555585B1

Abstract

本发明涉及一种用于坩埚加热装置（28）的供电装置（10，54），包括至少一个加热电流回路（26，30）和用于控制供电模块（12，14，16，18，20）的过程控制装置（36），其中加热电流回路（26，30）相应地包括至少两个供电模块（12，14，16，18，20），其中在这个或者每个加热电流回路（26，30）中，至少两个供电模块（12，14，16，18，20）的输出端（24，29）并联，本发明还涉及一种使其运行的方法。选择地可以设置加热控制装置（32）来代替过程控制装置（36），用于控制供电模块（12，14，16，18，20）。

Description

用于坩埚加热装置的供电装置和使其运行的方法

技术领域

本发明涉及一种用于坩埚加热装置的供电装置。本发明也涉及一种使供电单元运行的方法。

背景技术

为了例如在采用柴氏（Czochralski）方法时融化坩埚加热装置中的、尤其是拉晶设备中的称量物料（Einwaage），通常采用低欧姆的石墨加热器。在已知的供电装置中借助于按照相位截止控制原理工作的执行机构（晶闸管调节器）提供这里所需的加热功率。这种供电装置具有一个电网输入端和一个或者若干个直流输出端。通过运行这种已知供电装置至少产生以下所列的缺点。

由供电装置产生的高次波、所谓的高次谐波导致电网损耗增大。工业用户因而被其供电方敦促，采取适合的措施来减小由它们引起的对电网的反作用。因为接收的无功功率在低于由供电方为功率因数规定的最小值时被特别地加以考虑，因此无功功率损失被特别的技术措施限制。例如为此采用被动的或者主动的滤波回路。备选地也已知有一种以下形式的供电方法，通过线性的粗执行机构（可调变压器）和快速的精细执行机构共同作用，大大减小由于供电而引起的在输入侧的干扰。为了改善供电的功率因数而采用补偿设备。

已知的用于坩埚加热的供电装置大部分在部分载荷范围中工作。按照相位截止控制原理工作的、例如像晶闸管调节器那样的供电装置典型地在部分载荷范围中具有相对较低的效率，这一般被承认。

由已知的供电系统在次级侧产生的叠加交流电、也称为波纹电流，会对坩埚加热装置的温度调节过程产生负面影响，这是因为在温度调节器的感应器输入端上出现减小的信号干扰间距。此外这种波纹电流在石墨加热器上导致不被期望的副作用。例如可能导致石墨加热器的机械振动。此外通过波纹电流而发生的电磁交变场可能在坩埚中产生不可预见的磁场，并因此对拉晶过程产生负面影响，相反的是，按规定产生和叠加的磁场有正面的作用，例如在DE 10 2009 027 436 A1中可见的那样。在输出侧的干扰电压通过主动和被动的滤波器而被衰减。

在能源供给企业的供电网中也或者家用电网中可能出现的电网故障，例如像颤动、出现尖峰或者电压骤降，在已知的供电系统中，受相位截止控制或者也可能波包控制原理的限制而导致次级侧的干扰发射，并因此导致在温度调节器的感应器输入端上的信号干扰间距减小。这又可能导致过程中的、也就是加热功率的调节过程中的质量干扰，直至导致过程损耗。如果在供电中出现故障，那么可能使过程中断。一般采用主动的和被动的电网滤波器，以便克服短时间的电网故障对拉晶过程的影响。供电系统的对系统至关重要部件的失效一般导致过程中断。

发明内容

本发明的一个目的在于，避免或者减小已知供电装置的上述缺点，尤其是降低运行时产生的对电网的反作用，减小在输出侧的波纹电流，并且提高效率。

本发明的另外一个目的在于，提高供电系统的可用性，并因此提高拉晶过程的稳定性。

该目的根据本发明利用权利要求1的特征来实现。由此设置用于坩埚加热装置的供电装置，坩埚加热装置包括至少一个加热电流回路和用于控制供电模块的过程控制装置，该加热电流回路相应地包括至少两个供电模块，其中在这个或者每个加热电流回路中，至少两个供电模块的输出端并联。

就方法而言，该目的根据本发明通过独立的方法权利要求的特征来实现。由此提出一种用于使坩埚加热装置的供电装置运行的方法，供电装置包括有至少一个加热电流回路，这回路分别包括有至少两个供电模块，还有一个过程控制模块用于控制供电模块，其中在这或者每个加热电流回路中并联了至少两个供电模块的输出，而且其中被分开用于每个加热电流回路的供电模块取决于工艺流程和/或在单个的供电模块中出现故障时进行激活或者去除激活。

本发明基于以下认识，即为了使尤其是在拉晶设备中的坩埚加热装置运行而需要例如在200至500KW范围内的高功率，其中流过的电流达几千个安培。必须精确地设置功率，并且同时由于电流较大而必须在安全性方面进行逐一。这种认识这样被转化，从而将开关柜中同样的供电模块连接在一起。

本发明的优点在于减小了对电网的反作用。因此一般无需单独采取措施用于电网滤波。取决于各自当前的负荷需要，可以接通或者断开单个的供电模块，以便使主动的供电模块在一个尽可能最佳的工作点中运行，并因此实现功率因数的改善。特别是在一个部分负荷范围中可以实现效率的改善。因此不需要单独采取措施，例如在补偿设备上进行供电。按此方式也可以节省成本。在输出侧可以注意到的是，在根据本发明的供电装置中，初级侧的电网故障，如颤动、出现尖峰或者电压骤降，远少于在已知的供电装置中的电网故障。因此避免了在坩埚加热装置方向上发出暂时的电磁干扰场，并因此提高了过程稳定性，尤其是拉晶过程的稳定性。

本发明的有利设计方案是从属权利要求的内容。在引用其他权利要求时通过相应的从属权利要求的特征指出了独立权利要求的内容的其它设计；它们并不被理解为放弃实现对引用其他权利要求的从属权利要求的特征组合的自动、具体的保护。此外鉴于权利要求的设置，在对一个后置权利要求的一个特征具体化时可以推断出：在各自前面的权利要求中并不存在一种这样的局限。

在一种实施形式中，供电装置包括连接在过程控制装置和供电模块之间的加热控制装置，用于控制和监测供电模块。通过过程控制装置来引导加热控制装置，过程控制装置获取各种过程监测部件的状态-和故障信号，过程监测部件例如是温度监测器、冷水监测器、压力监测器。如果在供电装置中每个供电模块在输入侧都三相连接，那么可以避免不对称的电网负荷。

在一种实施形式中，每个供电模块包括三个相同的子模块，它们可以通过内部的系统总线相互连接。每个子模块可以选择地包括整流器单元。

每个子模块可以选择地包括功率因数校正级。功率因数校正级也称为PFC-级，与已知的用于坩埚加热的供电装置相比，它可以显著减小对电网的反作用。

在功率因数校正级之后可以选择地连接有时钟输出级（getakteteLeistungsstufen）。由此与已知的供电装置相比可以明显改善输出电压的质量，这是因为波纹电流被减小。当波纹电流减小时，在加热电流回路中，例如在石墨加热器上只出现较小的感应产生的横向力。因此减小了石墨加热器的机械振动，并且延长了它的使用寿命。

在一种实施形式中，每个供电模块可以包括通信接口，以便可以用过程控制装置或者加热控制装置来交换状态-和控制信息。状态-和故障信号可以例如经过在其中布置有供电装置的开关柜上的HMI（人-机-接口，Human-Machine-Interface）并且经过通信接口，由例如直接布置在供电模块或者子模块端面上的LED（发光二极管Light Emitting Diode）显示器来显示。

在这方法中选择地规定，在供电模块中的任一个出现故障时，将信号经过通信接口，从损坏的供电模块传输给连接在过程控制装置和供电模块之间的加热控制装置，并且加热控制装置使损坏的供电模块去除激活。为此加热控制装置发出一个相应的信号，用于使损坏的供电模块去除激活。可替代地可以提出，在供电模块中的任一个出现故障时，将信号经过通信接口，从损坏的供电模块传输给过程控制装置，并且过程控制装置接着使损坏的供电模块去除激活。对此，将一个相应的信号从过程控制装置发送给供电模块。按此方式阻止的是，损坏的供电模块在继续运行时对输出电压产生负面影响，或者引起对电网的反作用。

在一种实施形式中，如果在附属的加热电流回路中所需要的功率小于或者等于激活的供电模块的最大功率、即还在相应的加热电流回路中可用的那些供电模块的最大功率之和的话，可以使去除激活的供电模块的功率附加地按比例分配给那个或那些在附属加热电流回路中继续激活的供电模块。这可以使供电装置实现更高的可用度。当供电模块停止运行时，供电系统的重新建立时间大大短于例如在已知的供电装置中那样。因此可以使坩埚设备更快地重新投入运行。

在一个实施形式中，可以使一个并不需要的供电模块去除激活，并且在并联的供电模块停止运行或出现故障时，可以使这个并不需要的供电模块又自动地激活。这样就可以尤其是在部分负荷范围中优化供电装置的运转点。

可替代地可以使一个并不需要的供电模块去除激活，而可以在并联的供电模块停止运行或出现故障时，使这个并不需要的供电模块手工地或者自动地-选择地利用确认查询

-激活。

作为去除激活的供电模块的运行模式既可以考虑用“热待机模式”（“Hot Standby-Modus”）（AC-输入端激活）或者说“冷待机模式”（“ColdStandby-Modus”）（AC-输入端去除激活）。运行模式可以根据需要用于供电模块，如果多个供电模块被去除激活的话，例如也可以使一部分去除激活的供电模块在“热待机模式”下运行，而另一部分在“冷待机模式”下运行。

在一种实施形式中，与这个或这些去除激活的供电模块并联的供电模块至少按比例承担去除激活的供电模块的功率。例如在加热电流回路中的三个供电模块中，其中一个去除激活，两个激活的供电模块可以分别承担已去除激活的供电模块的一半功率，并且因此可以在一个比较有利的工作点上运行。

在一种实施形式中本发明在软件中实施。因此本发明一方面也是计算机程序，其具有通过计算机可以实施的程序编码指令，另一方面是具有这样的计算机程序的存储介质，以及最后也是一种具有处理单元的过程控制装置或者加热控制装置，其存储器中被载入或者可以载入这样的计算机程序，作为用于实施该方法和其设计方案的设备。加热控制装置可以同样实施前面和以下联系过程控制装置所提到的所有任务。

附图说明

以下根据附图对本发明的一个实施例进行详细叙述。彼此相应的内容和元件在所有附图中用相同的标号表示。所示为：

图1是根据本发明的供电装置的一种实施例；

图2是初级的电压供给装置和冷水供给装置；

图3是根据本发明的供电装置的另一个实施例；

图4是用于图1所示供电装置的优化的供电系统的一个实例；

图5是在图1所示供电装置中的供电模块的出现故障时的一个实例；

图6是根据本发明的供电装置运行的方法的一个实例。

具体实施方式

图1简略表示了根据本发明的供电装置10的一个实施例。供电装置10包括布置在开关柜22中的5个供电模块12，14，16，18，20。第一和第二供电模块12，14的输出端借助于母线（未示出）并联，并且供给坩埚加热装置28的第一加热电流回路26。第三、第四和第五供电模块16，18，10的输出端29同样也并联，并供给坩埚加热装置28的第二加热电流回路30。供电模块12-20分别包括有三个相同的子模块（未示出），它们通过内部的系统总线（未示出）相互连接。每个子模块一般由整流单元、功率因数校正级（PFC-级）和具有变压器以及远距输出端的功率转换器组成。此外每个供电模块12-20还具有通信接口，如以下所述，以便能够传输和交换状态-和控制信息。通过加热控制装置32来进行对单个的供电模块12-20的控制和监测，加热控制装置经过通信接口34与供电模块12-20进行通信，并且布置在开关柜22内。然而同样也可以将加热控制装置32布置在开关柜22外。加热控制装置32与过程控制装置36的通信接口34连接，过程控制装置获得单个部件、例如冷水监测器38、压力监测器40和温度监测器42的状态-和故障信号以用于过程监测，并通过这些部件进行控制。过程控制装置36包括有处理单元44和存储器46，用于执行或者存储用于过程监测和控制的计算机程序。代替过程控制装置36，加热控制装置32也可以包括处理单元和存储器（二者都未示出），以便执行或者存储用于过程监测的计算机程序。

在图2中示意性示出了用于供电模块12-20的初级电压供给装置48的一个实例。电压供给装置48包括有配电板50，利用该配电板将供给电压51直接引导到供电模块12-20上。每个供电模块12-20单个地连接在冷水回路52上。

图3表示了根据本发明的供电装置54的另一个实施例，在这装置中供电模块12-20直接与过程控制装置36的通信接口34连接，并且通过过程控制装置36直接进行检测和控制。

图4示出了用于供电装置10的优化的供电系统的一个实例。对此在部分负荷范围中使一个不再需要的供电模块20去除激活。对此将一个相应的控制信号56从加热控制装置32发送给待去除激活的供电模块20。例如当经过通信接口指示出在与去除激活的供电模块20并联的供电模块16，18中的任一个出现故障时，可以根据需要在“热待机”或者“冷待机”状态中运行，也就是说在需要时自动地再激活或者手动接通。给在第二个加热电流回路30中继续激活的供电模块16，18分别发送一个对应的控制信号58，用于分别承担已经去除激活的供电模块20的一半功率。那么它们可以在比较有利的工作点上运行。也可以确定在第二个加热电流回路30中剩余的激活的供电模块16，18上的另外一种功率分配，从而例如一个供电模块承担去除激活的供电模块20功率的30%，并且另一个供电模块承担70%。可以这样来确定承担功率的值，从而可以使剩余的激活的供电模块16，18在一个尽可能有利的工作点中运行。

图5示出了在供电装置10中的供电模块20的出现故障时的一个实例。从供电模块20将故障信号60发送给加热控制装置32。则通过加热控制装置32使具有故障的供电模块20去除激活。同时从加热控制装置32将相应的控制信号62发送给在附属的第二加热电流回路30中剩余的供电模块16，18，从而只要在第二加热电流回路30中需要的加热功率小于或者等于还可用的、激活的供电模块16，18的最大功率之和，就附加地例如分别将有故障的供电模块20的50%的功率分配给剩余的供电模块。

在过程、例如拉晶过程结束之后，可以借助于更换损坏的供电模块20，短期地并且耗费少量服务成本地又完成供电装置的运行准备。供电装置10，54的模块化结构可以使得也用于其它设备、尤其是拉晶设备的供电装置10，54匹配于加热电流回路的变化的功率需要。

图6示出了使根据本发明的供电装置10，54运行的方法64的一种实例。在第一步66中，将信号经过通信接口从损坏的供电模块传输给过程控制装置。在第二步68中，过程控制装置借助于相应的控制信号使损坏的供电模块去除激活。在第三步70中，如果在附属的加热电流回路中需要的功率小于或者等于激活供电模块的最大功率，通过从过程控制装置到附属加热电流回路中激活的供电模块的相应控制信号，将去除激活的供电模块的功率附加地按比例分配给在附属的加热电流回路激活的供电模块。

因此可以将在此提出的说明中的各个主要方面简单总结如下：说明了一种用于坩埚加热装置28的供电装置10，54，其包括至少一个相应地包括有至少两个供电模块12，14，16，18，20的加热电流回路26，30，其中在这个或者每个加热电流回路26，30中，至少两个供电模块12-30的输出24，29并联，还给出了一种用于控制供电模块12-20的过程控制装置36。

Claims

1.一种用于坩埚加热装置（28）的供电装置（10），包括至少一个加热电流回路（26，30）和用于控制供电模块（12，14，16，18，20）的过程控制装置（36），所述加热电流回路相应地包括至少两个供电模块（12，14，16，18，20），其中在所述这个或者每个加热电流回路（26，30）中，所述至少两个供电模块（12，14，16，18，20）的输出端（24，29）并联。

2.根据权利要求1所述的供电装置（10），具有连接在所述过程控制装置（36）和所述供电模块（12，14，16，18，20）之间的加热控制装置（32），用于控制和监测所述供电模块（12，14，16，18，20）。

3.根据权利要求1或者2所述的供电装置（10），其中每个供电模块（12，14，16，18，20）在输入侧三相连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的供电装置（10），其中每个供电模块（12，14，16，18，20）包括三个相同的子模块，所述这些子模块通过内部的系统总线相互连接。

5.根据权利要求4所述的供电装置（10），其中每个子模块包括整流器单元。

6.根据权利要求4或者5所述的供电装置（10），其中每个子模块包括功率因数校正级。

7.根据权利要求6所述的供电装置（10），其中在所述功率因数校正级之后连接有时钟输出级。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的供电装置（10），其中每个供电模块（12，14，16，18，20）包括通信接口。

9.一种运行用于坩埚加热装置（28）的供电装置（10）的方法，所述供电装置包括至少一个加热电流回路（26，30）和用于控制供电模块（12，14，16，18，20）的过程控制装置（36），所述加热电流回路相应地包括有至少两个供电模块（12，14，16，18，20），其中在所述这个或者每个加热电流回路（26，30）中，所述至少两个供电模块（12，14，16，18，20）的输出端（24，29）并联，而且其中被分开用于每个加热电流回路（26，30）的所述供电模块（12，14，16，18，20）取决于工艺流程和/或在单个的供电模块（12，14，16，18，20）中出现故障时激活或者去除激活。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述供电模块（12，14，16，18，20）中的任一个出现故障时，将信号（56）经过通信接口，从损坏的所述供电模块（12，14，16，18，20）传输给连接在所述过程控制装置（36）和所述供电模块（12，14，16，18，20）之间的加热控制装置（32），并且所述加热控制装置（32）使损坏的所述供电模块（12，14，16，18，20）去除激活。

11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述供电模块（12，14，16，18，20）中的任一个出现故障时，将信号（56）经过通信接口，从损坏的所述供电模块（12，14，16，18，20）传输给所述过程控制装置（36），并且所述过程控制装置（36）使损坏的所述供电模块（12，14，16，18，20）去除激活。

12.根据权利要求10或者11所述的方法，其中如果在附属的所述加热电流回路（26，30）中所需要的功率小于或者等于激活的供电模块（12，14，16，18，20）的最大功率，则将去除激活的供电模块（12，14，16，18，20）的功率附加地按比例分配给所述那个或那些在附属的所述加热电流回路（26，30）中激活的供电模块（12，14，16，18，20）。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中使并不需要的供电模块（12，14，16，18，20）去除激活，而且其中在并联的供电模块（12，14，16，18，20）停止运行或出现故障时，使所述不需要的供电模块（12，14，16，18，20）自动地激活。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述这个或这些与去除激活的供电模（12，14，16，18，20）并联的供电模块（12，14，16，18，20）至少按比例承担所述去除激活的供电模块（12，14，16，18，20）的功率。

15.一种具有程序编码器的计算机程序，用于在过程控制装置（36）或者加热控制装置（32）上运行程序时实施根据权利要求9至14中任一项所述的所有步骤。

16.一种具有程序编码器的计算机程序产品，所述计算机程序产品存储在计算机可读的数据载体上，用于在过程控制装置（36）或者加热控制装置（32）上运行程序时实施根据权利要求9至14中任一项所述的方法。

17.一种数字存储介质，尤其是磁盘，具有可以电子读出的控制信号，所述控制信号可以这样与可编程的过程控制装置（36）或者加热控制装置（32）共同作用，从而实施一种根据权利要求9至14中任一项所述的方法。

18.一种过程控制装置（36）或加热控制装置（32），具有处理单元（44）和存储器（46），根据权利要求15所述的计算机程序载入所述存储器，所述计算机程序在设备运行中通过所述处理单元（44）来实施。