CN104965538B - 一种晶体生长过程的加热电源控制方法 - Google Patents

一种晶体生长过程的加热电源控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种晶体生长过程的加热电源控制方法。在所述晶体的熔料阶段和/或退火阶段，加热电源采用周期脉冲控制；所述周期脉冲控制是指，将所述加热电源的输出功率幅值及脉冲周期固定，通过调节每个脉冲周期内的脉冲占空比控制所述加热电源的每个脉冲周期内的输出功率。本发明通过控制加热电源在退火阶段采用周期脉冲控制方式降低能耗，达到能效果。本发明适用于晶体生长领域电源，特别适用于蓝宝石晶体生长加热电源的控制。

Description

一种晶体生长过程的加热电源控制方法
技术领域
本发明涉及电源控制技术领域；特别是涉及一种晶体生长过程的加热电源控制方法。
背景技术
在晶体生长工艺过程中，电源需长时间输出较大的功率对负载进行加热。然而在不同的工艺阶段对电源输出功率的控制精度有不同要求，其中在熔料阶段和退火阶段对功率控制精度要求较低，在长晶阶段对功率控制精度要求较高。现有晶体生长炉加热电源在各个工艺段均采用相同的控制方式，即高精度直流连续输出(如图1所示，图中0至T1阶段为熔料阶段、T1至T2为长晶阶段，T2至T3为退火阶段，T3至T4为自然冷却阶段)。由于电源效率随着输出功率降低而下降，这就使得电源在熔料阶段和退火阶段一直工作于低效率状态(如图1所示，上述两个阶段的输出功率低)，进而增加了企业的生产成本。从长远发展来看，提供一种全面适用于晶体生长工艺需求的节能型电源将取得良好的经济效益和社会效益,也会成为未来晶体电源的重要技术发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中晶体生长工艺的不同阶段(熔料阶段、长晶阶段、退火阶段)加热电源均采用直流连续输出的控制方式，从而导致在熔料阶段、退火阶段电源利用效率不高的问题，提供一种采用周期脉冲控制方法控制电源，从而提高电源利用效率的加热电源的控制方法；为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种晶体生长过程的加热电源控制方法；在所述晶体的熔料阶段和/或退火阶段，加热电源采用周期脉冲控制；所述周期脉冲控制是指，将所述加热电源的输出功率幅值及脉冲周期固定，通过调节每个脉冲周期内的脉冲占空比控制所述加热电源的每个脉冲周期内的输出功率；所述输出功率幅值始终等于预设的固定值Pe。
进一步的，所述脉冲周期内加热电源的功率输出时间tp通过下式计算得到：
其中，t2-t1＝Tn，Tn为单位脉冲周期，P(t)为采用直流连续输出方式时所述加热电源在t1至t2时刻的输出功率函数，Pe为所述加热电源在周期脉冲控制模式下的固定输出功率，tp为加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间。
本公式的理论依据为牛顿-莱布尼茨公式，即相等时间内面积相等的波形，其功率也相等的原则。由于晶体炉热场有较大热惯性，在晶体生长过程中的熔料工艺阶段和退火工艺阶段，采用定周期的脉冲输出，代替现有技术中的高精度直流连续输出。进而使得晶体生长的熔料阶段与退火阶段，在保持输出功率(即热场温度)不变的情况下，提高电源的输出效率。
进一步的，随着退火阶段的进行，所述加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间tp逐渐缩短。
进一步的，在熔料阶段初期，晶体炉负载阻抗随温度升高而线性增大阶段，所述加热电源采用恒流限压方式进行功率输出；
在晶体炉负载阻抗稳定后所述加热电源采用周期脉冲控制方式进行功率输出。由于晶体炉在加热前，其负载冷态阻抗较小，随着温度上升负载阻抗将逐渐增大。在负载冷态阻抗较小时如果采用较高电压输出，会产生过大电流损坏电源和晶体炉发热体，因此在熔料阶段的升温初期采用恒流限压的方式控制电源输出；当晶体炉负载阻抗随温度升高而相对稳定后，采用定周期脉冲输出方式控制电源的输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.根据晶体生长工艺需求，在晶体生长的熔料阶段和退火阶段(低功率输出)加热电源采用周期脉冲控制方式控制功率输出，解决现有技术中在熔料阶段和退火阶段(低功率输出)转换效率低、能耗高的情况，达到节约能源，降低晶体生产的成本等功效；实现高效节能的效果；
同时在长晶阶段(高功率输出)加热电源采用高精度直流连续输出的组合控制方式，能有效解决电源低功率输出时效率低的缺点，使电源在各个工艺阶段均以较高效率运行。
2.根据牛顿-莱布尼茨公式所述相同时间内面积相等的波形功率相等的原则，由于晶体炉热场惯性大的特征，采用定周期脉冲输出方式代替现有技术中的高精度直流连续输出，在保证熔料和退火阶段工艺温度曲线基本不变的同时降耗节能。
3.由于晶体炉在加热前，其负载冷态阻抗较小，随着温度上升负载阻抗将逐渐增大。通过采用恒流限压的方式控制电源输出，可有效防止大电流损坏电源和晶体炉发热体。
附图说明：
图1为现有技术中，晶体生长过程中典型的功率输出曲线图。
图2为晶体的退火阶段采用现有技术及本发明方法进行功率输出对比示意图。
图3为实施例中采用不同的输出功率的效率曲线图。
图4为实施例中的节能效果示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
下面将结合具体实例对本发明进行说明。
实施例1：在所述晶体的熔料阶段和/或退火阶段，加热电源采用周期脉冲控制；所述周期脉冲控制是指，将所述加热电源的输出功率幅值及脉冲周期固定，通过调节每个脉冲周期内的脉冲占空比控制所述加热电源的每个脉冲周期内的输出功率。
如图1所示的蓝宝石的生长过程为例：
0～T1：熔料阶段：特殊控制；
T1～T2：长晶阶段：高精度控制；
T2～T3：退火阶段：控制精度要求不高；
T3～T4：自然冷却阶段：无输出。
而其退火阶段的控制如图2所示，其中(a)部分为现有技术中加热电源在退火过程中的功率输入示意图，P(t)为加热电源随时间变化的输出功率函数；(b)部分为本发明提供的周期脉冲控制方法，其中，高脉冲时表示所述加热电源具有功率输出，低脉冲时表示所述加热电源无功率输出；
所述脉冲周期内加热电源的功率输出时间tp通过以下方法得到：
图2中，Tn为单位脉冲周期，P(t)为采用直流连续输出方式时所述加热电源的输出功率函数，Pe为所述加热电源在周期脉冲控制模式下的固定输出功率，tp为加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间。
设Qn为图2(a)中某一单位脉冲周期时间Tn内连续性输出总热量，Qn′为图2(b)相同单位脉冲周期内脉冲输出总热量。如果想要两种方法在相同时间段内对晶体炉负载产生相同的热量，则应有Qn＝Qn′；其中图2(a)中由焦耳定律可知任意单位脉冲周期内产生的热量其中，t2-t1＝Tn；而采用固定输出功率幅值的本发明方法(图2(b))中，相应单位脉冲周期Tn内产生的热量Qn′＝0.24PetP；因此可得
进一步的，随着退火阶段的进行，所述加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间tp逐渐缩短。应指出的是，虽然实施例中未给出熔料阶段的功率脉冲控制图，但是通过图1我们可以看到，两个阶段的功率输出具有高度的相似性(不同点仅为熔料阶段加热电源的输出功率线性增加，而退火阶段加热电源的输出功率线性减小)，因此本公式及方法完全适用于熔料阶段。
进一步的，在熔料阶段初期，晶体炉负载阻抗随温度升高而线性增大阶段，所述加热电源采用恒流限压方式进行功率输出；
图3为采用不同的加热电源产品时实际测试得到的利用效率曲线图。由图可知加热电源的利用效率随着其实际输出功率的增大呈非线性的升高(如图3所示，当电源的实际输出功率为其额定功率的10％时，其利用效率η大约为40％；当电源的实际输出功率为其额定功率的50％时，其利用效率大约为80％)，而在电源实际输出功率为其额定功率时，其效率最高可达η＝86％。因此本发明方法在熔料阶段和/或退火阶段所述加热电源的输出功率幅值Pe均设置为所述加热电源的额定功率，从而最大效果的提高加热电源的利用率。
节能效果示意见图4，线Pin1表示加热电源采用现有技术在T2至T3时间段(退火阶段)的功率输出；线Pin2表示加热电源在本发明方法提供的技术方案下在T2至T3时间段(退火阶段)的功率输出；线Pout表示实际对晶体炉的输出功率；三条线与两个坐标线之间包含的面积代表耗电量；以蓝宝石晶体生长过程的T2～T3退火阶段时间为100h为例，则有：
起始输出功率(Pout，表示实际对晶体炉的输出功率)为60kW，此时采用现有技术时对应的加热电源输入功率(Pin1)为72kW，采用本发明方法对应的输入功率(Pin2)为69.7kW；
取截止输出功率(Pout’)为0.5kW时，对应现有技术中的输入功率(Pin1’)为25kW，采用本发明方案对应的输入功率(Pin2’)为2.9kW。
为此，在T3退火阶段需求总电能如下：
退火阶段所需求总电能：见图4中竖线区域；原有方案输入总电能为：见图4中竖线区域+右斜线区域+左斜线区域；
现有方案输入总电能为：见图4中竖线区域+左斜线区域；
电源效率分别为：
在晶体炉负载阻抗稳定后所述加热电源采用周期脉冲控制方式进行功率输出。由于晶体炉在加热前，其负载冷态阻抗较小，随着温度上升负载阻抗将逐渐增大。在负载冷态阻抗较小时如果采用较高电压输出，会产生过大电流损坏电源和晶体炉发热体，因此在熔料阶段的升温初期采用恒流限压的方式控制电源输出；当晶体炉负载阻抗随温度升高而相对稳定后，采用定周期脉冲输出方式控制电源的输出。

Claims (4)

1.一种晶体生长过程的加热电源控制方法，其特征在于，在所述晶体的熔料阶段和/或退火阶段，加热电源采用周期脉冲控制；所述周期脉冲控制是指，将所述加热电源的输出功率幅值及脉冲周期固定，通过调节每个脉冲周期内的脉冲占空比控制所述加热电源的每个脉冲周期内的输出功率；
所述脉冲周期内加热电源的功率输出时间tp通过下式计算得到：
<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，t2-t1＝Tn，Tn为单位脉冲周期，P(t)为采用直流连续输出方式时所述加热电源在t1至t2时刻的输出功率函数，Pe为所述加热电源在周期脉冲控制模式下的固定输出功率，tp为加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间。
2.如权利要求1所述的晶体生长过程的加热电源控制方法，其特征在于，随着退火阶段的进行，所述加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间tp逐渐缩短。
3.如权利要求1所述的晶体生长过程的加热电源控制方法，其特征在于，在熔料阶段初期，晶体炉负载阻抗随温度升高而线性增大阶段，所述加热电源采用恒流限压方式进行功率输出；
在晶体炉负载阻抗稳定后所述加热电源采用周期脉冲控制方式进行功率输出。
4.如权利要求1所述的晶体生长过程的加热电源控制方法，其特征在于，在所述晶体的长晶阶段，所述加热电源采用直流连续输出模式进行控制。
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