CN106115712B - 一种多晶硅还原炉电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多晶硅还原炉电源系统，包括工频电源，工频电源的输出端连接于负载的两端，还包括高频电源和用于使高频电源与工频电源叠加的耦合谐振槽路，耦合谐振槽路设于高频电源的输出端，耦合谐振槽路的输出端连接于负载的两端。此种多晶硅还原炉电源系统中，工频电源与高频电源并列叠加运行为同一负载供电，硅棒内外温差梯度较小，硅棒内外温度分布更加均匀，可以防止硅芯熔化，减少硅芯机械应力，避免裂棒和系统停车，减少热点，使硅棒能够生长成的直径更大一些，生产效率得到提高；此种复合电源能够合理利用高频电源的集肤效应，以较小的电流维持加热温度，有效降低能耗；高频电源与工频电源可以分别独立进行控制，投退方便快捷。

Description

一种多晶硅还原炉电源系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种多晶硅还原炉电源系统。
背景技术
目前，国内多晶硅还原炉电源系统已经打破了国外技术的垄断，在原有多晶硅还原炉电源系统基础上研制出了精度更高、稳定性更好、硅材料生产成本更低的高性能多晶硅还原炉电源系统。
一种典型的多晶硅还原炉电源系统采用多层电源叠层控制技术，使每组功率回路接收4、5种电压等级的电源，叠层输出功率电源。多层电源叠层控制能够有效提高还原电源效率、减小谐波。由于这种电源技术采用的是普通的交流电加热硅棒，因而可以称此种多晶硅还原炉电源系统为工频电源系统。
然而，由于工频电源调功柜频率较低，通常为50Hz或者60Hz，使得硅棒在加热过程中，由于外层隔热，硅棒内部温度比表面的温度要高。硅棒的直径越大，硅棒内外的温差也越大，当硅棒内部温度达到1414℃后，硅棒将熔毁。因此，工频电源系统限制了硅棒的直径以及多晶硅的产量，且生产能耗也较大。
因此，如何提高多晶硅还原炉电源系统的适用性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种多晶硅还原炉电源系统，该多晶硅还原炉电源系统的适用性较好。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多晶硅还原炉电源系统，包括工频电源，所述工频电源的输出端连接于负载的两端，还包括高频电源和用于使所述高频电源与所述工频电源叠加的耦合谐振槽路，所述耦合谐振槽路设于所述高频电源的输出端，所述耦合谐振槽路的输出端连接于所述负载的两端。
优选地，所述耦合谐振槽路中设有用于耦合的耦合高频变压器。
优选地，所述高频电源、所述耦合谐振槽路与所述工频电源均连接于PLC控制器。
优选地，所述高频电源包括能够自动跟踪所述负载变化频率的全数字化IGBT高频控制器。
优选地，所述耦合谐振槽路与所述负载之间设有用于在高压击穿硅芯时隔离所述高频电源的隔离开关。
优选地，所述高频电源的控制电路板集成于高频电源控制箱中，所述高频电源控制箱包括金属外壳且所述金属外壳接地。
优选地，所述高频电源控制箱内设有散热风扇。
优选地，所述高频电源控制箱的门板为重复折边结构，且所述高频电源控制箱的内部封板为绝缘板。
优选地，所述高频电源的出线母排为铜板或者铜管。
优选地，所述出线母排的截面面积范围为0.9A/mm2至1.1A/mm2。
本发明提供的多晶硅还原炉电源系统包括工频电源、高频电源和耦合谐振槽路。其中，工频电源的输出端连接于负载的两端，耦合谐振槽路设置在高频电源的输出端，耦合谐振槽路的输出端连接在负载的两端，耦合谐振槽路可以实现高频电源与低频电源叠加的同时防止高频电源影响工频电源的正常工作。
此种多晶硅还原炉电源系统中，高频电源输出与负载匹配并提供低阻抗通道，通过耦合谐振槽路实现高频电源和工频电源的叠加，使工频电源与高频电源并列叠加运行为同一负载供电，可以使负载在接受工频和高频两种频率的电源环境下生长。其中，工频电源承担维持硅棒温度的大功率基本负荷，高频电源主要作用于硅棒表面，使电流更多地集中在硅棒表面，硅棒表面可以维持较高的温度，即在硅棒截面的电流分布中，工频电流分布比较平均，高频电流主要作用于硅棒表面。
可见，在工频电源与高频电源的作用下，硅棒内外温差梯度较小，硅棒内外温度分布更加均匀，可以防止硅芯熔化，减少硅芯机械应力，避免裂棒和系统停车，减少热点，使硅棒能够生长成的直径更大一些，生产效率得到提高；此种复合电源能够合理利用高频电源的集肤效应，以较小的电流维持加热温度，有效降低能耗；高频电源与工频电源可以分别独立进行控制，投退方便快捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例的结构示意图；
图2为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例的电路图；
图3为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例中负载中的截面电流分布图；
图4为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例中高频电源控制箱的结构示意图。
图1至图4中，1为主变压器，2为工频电源，3为负载，31为工频电流，32为高频电流，4为耦合谐振槽路，41为耦合高频变压器，42为隔离开关，5为高频电源，6为高频电源控制箱，7为PLC控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种多晶硅还原炉电源系统，该多晶硅还原炉电源系统的适用性较好。
请参考图1至图4，图1为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例的结构示意图；图2为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例的电路图；图3为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例中负载中的电流分布图；图4为本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的具体实施例中高频电源控制箱的结构示意图。
本发明所提供多晶硅还原炉电源系统的一种具体实施例中，多晶硅还原炉电源系统包括工频电源2、高频电源5和耦合谐振槽路4。其中，工频电源2的输出端连接于负载3的两端，耦合谐振槽路4设置在高频电源5的输出端，耦合谐振槽路4的输出端连接在负载3的两端，耦合谐振槽路4可以实现高频电源5与低频电源叠加，同时可以防止高频电源5影响工频电源2的正常工作。工频电源2与高频电源5可以均由主变压器1供电。其中，本文中的负载3为多晶硅棒。
此种多晶硅还原炉电源系统中，高频电源输出与负载3匹配并提供低阻抗通道，通过耦合谐振槽路4实现高频电源5和工频电源2的叠加，使工频电源2与高频电源5并列叠加运行为同一负载3供电，可以使负载3在接受工频和高频两种频率的电源环境下生长。其中，工频电源2承担维持硅棒温度的大功率基本负荷，高频电源5主要作用于硅棒表面，使电流更多地集中在硅棒表面，硅棒表面可以维持较高的温度，即在硅棒截面的电流分布中，工频电流31分布比较平均，高频电流32主要作用于硅棒表面。
可见，在工频电源2与高频电源5的作用下，硅棒内外温差梯度较小，硅棒内外温度分布更加均匀，可以防止硅芯熔化，减少硅芯机械应力，避免裂棒和系统停车，减少热点，使硅棒能够生长成的直径更大一些，生产效率得到提高；此种复合电源能够合理利用高频电源5的集肤效应，以较小的电流维持加热温度，有效降低能耗；高频电源5与工频电源2可以分别独立进行控制，投退方便快捷。
具体地，耦合谐振槽路4中设有耦合高频变压器41，以实现耦合。当然，耦合谐振槽路4中还可以连接有其他用于实现高频电源5与工频电源2叠加的部件。
一种优选的使用方式中，先仅使工频电源2正常运行，当硅棒生长到一定直径后，投入高频电源5，使负载3上同时得到两种不同频率的电流并继续加热生长。其中，工频电源2和高频电源5可以均采用脱盐水进行冷却。因多晶硅还原炉刚开始启动时，硅棒直径较细，硅棒内外温差不大，此时不需要对硅棒表面进行加热即可满足工艺要求，当硅棒生长到一定直径后内外温差较大，投入高频电源5，高频电源5与工频电源2叠加运行，以减小硅棒内外的温差。
上述实施例中的高频电源5、耦合谐振槽路4与工频电源2可以均连接于PLC控制器7，PLC控制器7具体可以设置于工频电源2中的PLC自动控制柜中。通过PLC控制器7对工频电源2进行控制，同时，PLC控制器7可以采集耦合谐振槽路参数并控制高频电源5。通过PLC控制方便、编程简单且抗干扰能力较强。当然，也可以采用其他控制器，或者设置单独的控制柜进行控制。
上述各个实施例中，高频电源5具体可以包括能够自动跟踪负载3变化频率的全数字化IGBT高频控制器，从而高频电源5的频率可以自动跟踪负载3变化，并采用PID调节，实现高频功率自动远程给定，控制方便。当然，高频电源5的控制器设置不限于此。
由于硅芯在启动初期需要高压击穿，而高频元器件普遍耐压不足，容易在高压击穿时损坏，在上述各个实施例中，耦合谐振槽路4与负载3之间可以设置隔离开关42，以便硅芯在高压击穿时，断开隔离开关42，从而隔离高频电源5，高压击穿之后转为工频电源2以低电压运行，隔离开关42再闭合投运高频电源5，以防止高频电源5被高电压所损坏。当然，耦合谐振槽路4与负载3之间也可以不设置隔离开关42。
上述各个实施例中，高频电源5的控制电路板可以集成于高频电源控制箱6中，高频电源控制箱6包括金属外壳且金属外壳接地。由于在电气环境里，电源的频率越高，电磁干扰越大，因而，将高频电源5的控制电路板集成于高频电源控制箱6中，高频电源控制箱6包括金属外壳，并采用金属外壳接地方式来屏蔽干扰，能够有效解决电磁干扰问题。其中，高频电源5的控制电路板包括高频电源5的核心控制板、斩波IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板以及其他电路板。当然，也可以通过控制核心电路板与负载3之间的距离或者其他方式来减少电磁干扰现象。
上述实施例中，高频电源控制箱6内可以设有散热风扇，以保证高频电源控制箱6中的各个部件在高频电源5运行过程中散热正常。
由于交变电流的频率越高，涡流效应就越明显，所以高频电源控制箱6必须尽量避免涡流的产生，以避免高频电源控制箱6运行时，与出线母排平行的门板加强筋出现温升。在出线母排的周围，结构上应该尽量避免加强筋和环形立柱结构的出现。优选地，上述各个实施例中，高频电源控制箱6的门板可以为重复折边结构，以减小涡流效应。
上述各个实施例中，高频电源控制箱6的内部封板可以为绝缘板，例如黄蜡板、有机玻璃板等绝缘板，以进一步减涡流效应。当然，内部封板的选用不限于上述各个实施例。
上述各个实施例中，高频电源5的出线母排可以为铜板或者铜管，有利于将电流集中于导体表面。
上述各个实施例中，高频电源5的出线母排截面面积范围可以为0.9A/mm2至1.1A/mm2，例如1A/mm2，将出线母排的截面面积选为较大的规格，有利于集肤效应的发生。
另外，上述各个实施例中，高频元器件都要做好冷却处理。其中，高频电源5中的高频变压器、谐振电容和全数字化IGBT高频控制器需使用水冷散热、电抗器及其他发热元件可使用风冷散热，以确保高频电源5工作在适宜的温度范围内。
上述各个实施例中，工频电源2的输出电压范围通常为0～2500V，输出电流范围通常为0～3000A。其中，工频电源2可以包括多级电源调功柜、PLC自动控制柜、5种等级的工频电源变压器、依靠硅棒电压自动进行档位切换的调压器等设备，工频电源2的输出波形为50或60Hz的正弦波。高频电源5主要包括整流器、斩波器、逆变器、谐振电容、高频变压器、测控系统等设备，高频电源5的输出波形为高频率正弦波。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的多晶硅还原炉电源系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多晶硅还原炉电源系统，包括工频电源，所述工频电源的输出端连接于负载的两端，其特征在于，还包括高频电源和用于使所述高频电源与所述工频电源叠加的耦合谐振槽路，所述耦合谐振槽路设于所述高频电源的输出端，所述耦合谐振槽路的输出端连接于所述负载的两端，所述负载为多晶硅棒，所述负载在接受工频与高频两种频率的电源环境下生长；
所述耦合谐振槽路中设有用于耦合的耦合高频变压器；
所述耦合谐振槽路与所述负载之间设有用于在高压击穿硅芯时隔离所述高频电源的隔离开关；
所述高频电源的出线母排的截面面积范围为0.9A/mm2至1.1A/mm2。
2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源系统，其特征在于，所述高频电源、所述耦合谐振槽路与所述工频电源均连接于PLC控制器。
3.根据权利要求2所述的多晶硅还原炉电源系统，其特征在于，所述高频电源包括能够自动跟踪所述负载变化频率的全数字化IGBT高频控制器。
4.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源系统，其特征在于，所述高频电源的控制电路板集成于高频电源控制箱中，所述高频电源控制箱包括金属外壳且所述金属外壳接地。
5.根据权利要求4所述的多晶硅还原炉电源系统，其特征在于，所述高频电源控制箱内设有散热风扇。
6.根据权利要求5所述的多晶硅还原炉电源系统，其特征在于，所述高频电源控制箱的门板为重复折边结构，且所述高频电源控制箱的内部封板为绝缘板。
7.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉电源系统，其特征在于，所述高频电源的出线母排为铜板或者铜管。
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