CN103647460B - 一种还原炉中频加热电源的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种还原炉中频加热电源的实现方法，将整流单元分为三个独立的单元，设6个逆变模块，共输出六相来对硅棒加热。采用AC‑DC‑DC‑AC的拓扑结构，控制系统主要控制DC‑DC和DC‑AC功率变换控制来完成硅棒电源的调功、调频。DCS控制器采集硅棒电压电流信号，通过数字处理方式得到输出高频电流的有效值，有效值和上位机给定的电流的偏差通过PID调节器调节后得到斩波电路的占空比，通过调节占空比来调节电源的调功输出。高频电源切换的初期频率为1KHz，通过硅棒内外温差来自动调节，逐步上升到10KHz，频率的调节在系统后级DC‑AC功率变换完成，上位机根据硅棒内外温差作为输出频率的设定值来控制H桥IGBT的开关速度。该系统控制简单可靠、精度高、响应速度快。

Description

一种还原炉中频加热电源的实现方法
技术领域
本发明涉及多晶硅还原炉生产加热电源技术，即对传统工频电源加热模式的一种改进方式，特别指一种还原炉中频加热电源的实现方法。
背景技术
改良西门子法生产多晶硅的主要设备是多晶硅还原炉，通过控制还原炉内温度使得三氯氢硅与氢气发生沉积反应，生成多晶硅。作为还原炉的热量来源，加热电源的稳定性、可靠性和可控性对多晶硅生产起着重要的作用。
通过加热电源对还原炉内的硅棒通电导通并使自身加热，当硅棒表面温度达到1080℃左右时，TCS气体与氢气在硅棒表面发生还原沉积反应，即：SiHCl3+H2＝Si+HCl+SiCl4+H2。从反应方程式可以看出，硅棒既是沉积反应生成的产品又是电加热器。
在热量传递方面，加热电源不停地增加硅棒加热器的电流，以保持硅棒加热器表面的温度不变。硅棒的表面热量则通过传导、辐射和化学气相反应带走。表面散失和消耗的热能远远大于多晶硅内部的热能，从而导致多晶硅棒内部的温度远高于多晶硅棒表面的温度。试验证明，当多晶硅棒直径大于Φ120mm时，硅棒表面和硅棒中心的温差将达到250℃以上，使得还原生产产生熔芯和裂棒(多晶硅的熔化温度为1420℃)，这大大制约了多晶硅的生产。
综上所述，为了获得更好质量的晶硅产品和降低更多的电耗，在还原炉加热电源的设计和制造方面需要改进。中频加热电源就是一种改进方向。中频加热电源在金属冶炼、淬火等方面有广泛的应用，但是在多晶硅加热方面，国内还没有确定的方法和设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种还原炉中频加热电源的实现方法，这种方法的目的是提高多晶硅棒生产效率，降低生产电耗，提高硅棒表观质量。根据硅棒电阻率与温度的关系，以及集肤效应原理，在多晶硅生产后期引入中频电热电源高频电源对还原炉内硅棒供电，利用中频产生的集肤效应提高硅棒表面的温度，降低硅棒内外温差，直至还原炉内硅棒达到所需要的直径后停止供电。
为解决上述技术问题，本发明由如下方案来实现：1、将整流单元分为三个独立的单元，以避免传统使用均流电抗器而产生电抗器过热不能长时间运行的问题。设6个逆变模块，输出六相A1，A2，B1，B2，C1，C2，来对硅棒加热。工作过程是：整个系统由DCS进行控制。DCS控制器采集硅棒电压电流信号，调节后级H桥逆变器占空比对电流进行调节，频率则通过内外硅棒温差来进行自动调节，在高频电源切换工作初期频率为1KHz，逐步上升到棒径为Φ100mm时的10KHz左右，保证逆变回路高效节能运行。
2、控制方案，加热电源采用AC-DC-DC-AC的其中AC-DC变换采用不控二极管整流。控制系统框图如下图所示，主要控制DC-DC功率变换和DC-AC功率变换。
3、DC-DC功率变换控制完成硅棒电流的调节，即完成电源的调功，采集到电源输出电流后，通过模拟或数字处理方式得到输出高频电流的有效值，该有效值和上位机给定的输出电流信号的差值通过PID调节器调节后得到斩波电路的占空比，通过调节占空比来调节电源的调功输出。
4、后级DC-AC功率变换完成频率的调节，根据DCS系统通过温差控制PID调节器给定的输出频率信号来控制H桥IGBT的开关速度即可。通过硅棒内外温差为设定值，控制电源的输出频率是本发明的一大亮点。其中硅棒外部温度由红外测温仪测得，硅棒中心温度由虚拟测量软件测得。
本发明的工作原理和优点：
1、采用等效18脉波不控整流，简单可靠，网侧功率因数高，谐波含量低。
2、采用斩波电路来实现电源的调功输出，控制简单可靠、精度高、响应速度快。
3、采用H桥逆变实现电源的调频输出，且实现温度差闭环控制，简单易行。
附图说明
图1是本发明的主电路拓扑图(A相)。
图2是本发明的控制系统图。
图3是本发明的电流闭环控制系统。
图4是本发明的频率闭环控制系统。
具体实施方式
如图1所示，将整流单元分为三个独立的单元，以避免传统使用均流电抗器而产生电抗器过热不能长时间运行的问题。设6个逆变模块，输出六相A1，A2，B1，B2，C1，C2，来对硅棒加热。工作过程是：整个系统由DCS进行控制。DCS控制器采集硅棒电压电流信号，调节后级H桥逆变器占空比对电流进行调节，频率则通过内外硅棒温差来进行自动调节，在高频电源切换工作初期频率为1KHz，逐步上升到棒径为Φ100mm时的10KHz左右，保证逆变回路高效节能运行。
图1为单组主回路，整个电源系统由三组上述相同电路组成。
其中：L1C1组成输入LC滤波电路；K1为隔离开关；FU1为输入保护熔断器；SCR整流器为晶闸管整流电路；DC+DC-为直流母线；FU2FU3为直流母线保护熔断器；逆变模块为IGBT逆变电路。
如图2所示，采用AC-DC-DC-AC拓扑结构的高频交流电源控制系统非常简单，由于AC-DC变换采用不控二极管整流，控制系统根本不用考虑该部分的功率变换控制。控制系统框图如下图所示，主要控制DC-DC功率变换和DC-AC功率变换。
如图3所示，DC-DC功率变换控制完成硅棒电流的调节，即完成电源的调功，采集到电源输出电流后，通过模拟或数字处理方式得到输出高频电流的有效值，该有效值和上位机给定的输出电流信号的差值通过PID调节器调节后得到斩波电路的占空比，通过调节占空比来调节电源的调功输出；
如图4所示，后级DC-AC功率变换完成频率的调节，该调节回路是一个串级调节。根据DCS系统通过温差控制PID调节器给定的输出频率信号来控制H桥IGBT的开关速度即可。通过硅棒内外温差为设定值，控制电源的输出频率是本发明的一大亮点。其中硅棒外部温度由红外测温仪测得，硅棒中心温度由虚拟测量软件测得。

Claims (1)

1.一种还原炉中频加热电源的实现方法，其特征是：
(1)将整流单元分为三个独立的单元，以避免传统使用均流电抗器而产生电抗器过热不能长时间运行的问题，设6个逆变模块，输出六相A1，A2，B1，B2，C1，C2，来对硅棒加热，工作过程是：整个系统由DCS进行控制，DCS控制器采集硅棒电压电流信号，调节斩波电路的占空比来对电流进行调节，频率则通过内外硅棒温差来进行自动调节，在高频电源切换工作初期频率为1KHz，逐步上升到棒径为Φ100mm时的10KHz左右，保证逆变回路高效节能运行；
(2)控制方案，加热电源采用AC-DC-DC-AC的拓扑结构，其中AC-DC变换采用不控二极管整流，控制系统主要控制DC-DC功率变换和DC-AC功率变换；
(3)DC-DC功率变换控制完成硅棒电流的调节，即完成电源的调功，采集到电源输出电流后，通过模拟或数字处理方式得到输出高频电流的有效值，该有效值和DCS的上位机给定的输出电流信号的差值通过PID调节器运算调节后得到斩波电路的占空比，再通过调节斩波电路的占空比来调节电源的功率输出；
(4)后级DC-AC功率变换完成频率的调节，由红外测温仪测出硅棒外部温度，由虚拟测量软件测得硅棒中心温度，将硅棒的内外温差反馈值与DCS的上位机给定的温差的差值通过PID调节器后作为频率给定值，将该频率给定值与输出频率反馈值的差值通过PID调节器调节H桥逆变器中IGBT的开关速度，从而控制电源的输出频率。
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