CN204696930U - 一种晶体加热炉电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种晶体加热炉电源，包括：变压器，用于将电网电压转换成晶体加热炉工作所需的电压；主控电路，与所述变压器连接，用于检测所述变压器的输出功率，根据所述输出功率大小调节所述变压器的原边输入电压；所述变压器的原边绕组具有至少两个抽头，每个所述抽头串接一组正反向可控硅电路，每组所述正反向可控硅电路均与所述主控电路连接；所述主控电路还用于根据晶体加热炉工作时晶体生长不同阶段所需的不同电压，控制通断每组所述正反向可控硅电路从而调整所述变压器的原边输入电压以满足晶体生长不同阶段所需的不同电压。本实用新型提高功率因数、减小电源系统谐波、提高转换效率。

Description

一种晶体加热炉电源

技术领域

本实用新型涉及晶体生长加热炉领域，特别涉及一种蓝宝石晶体加热炉电源。

背景技术

目前在交流晶体生长炉的加热电源领域应用的加热电源，如图4所示，多数均为移相控制方式控制可控硅导通对变压器原边进行调压，进而调节变压器副边输出电压，最终控制加热电源的输出电压以调节晶体生长炉内的温度。根据晶体生长的工艺需求，在退火阶段工艺时间较长。由于现有技术中对可控硅采用移相控制的方式，应用在低功率阶段时，产生电流谐波大，功率因数低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种晶体加热炉电源，旨在提高电源功率因数、减小电源系统谐波、提高转换效率，进而减少了晶体晶体生长车间的主变压器容量，同时减小对电网的电能质量的影响。

为了实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种晶体加热炉电源，包括：

变压器，用于将电网电压转换成晶体加热炉工作所需的电压；

主控电路，与所述变压器连接，用于检测所述变压器的输出功率，根据所述输出功率大小调节所述变压器的原边输入电压；

所述变压器的原边绕组具有至少两个抽头，每个所述抽头串接一组正反向可控硅电路，每组所述正反向可控硅电路均与所述主控电路连接；

其中，所述主控电路还用于根据晶体加热炉工作时晶体生长不同阶段所需的不同电压，控制通断每组所述正反向可控硅电路从而调整所述变压器的原边输入电压以满足晶体生长不同阶段所需的不同电压。

所述变压器原边绕组具有三个抽头，每个所述抽头均串联一组正反向可控硅电路形成第一可控硅电路、第二可控硅电路和第三可控硅电路；

所述主控电路具体用于依次循环执行以下控制操作：控制导通所述第一可控硅电路，当检测到所述变压器原边的电压达到U1时，导通所述第二可控硅电路，第三可控硅电路保持关闭；然后当检测到所述变压器原边的电压达到U2时，第一可控硅电路关闭，导通所述第三可控硅电路直至所述变压器原边的电压到达U３；其中U1＜U2＜U3。

优选的，该晶体加热炉电源还包括电压智能切换电路，所述电压智能切换电路包括自耦变压器和开关电路，所述自耦变压器一端通过主电路连接至电网，另一端通过所述开关电路连接所述变压器，所述开关电路连接所述主控电路；其中，所述主控电路还用于当所述晶体加热炉电源工作在所述升温熔料阶段和降温退火阶段到预定电压值的时候，控制所述开关电路导通切换至所述自耦变压器，由所述自耦变压器将电网电压变压后输出到所述变压器的原边。

所述变压器通过所述主电路直接连接至电网，同时通过所述电压智能切换电路后连接至电网。

所述变压器为单相变压器或三相变压器。

所述三相变压器为采用星型-三角形、星型-星型、三角形-三角形、三角形-星型接线方式之一的三相变压器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果： 本实用新型提高功率因数、减小电源系统谐波、提高转换效率、提升晶体生长车间主变压器容量的新型交流晶体电源。

附图说明：

图1是晶体晶体生长工艺阶段示意图；

图2是本实用新型实施例中的晶体加热炉电源示意图；

图3是本实用新型另一实施例中的晶体加热炉电源示意图；

图4是现有晶体加热炉电源移相主控电路图；

图5是本实用新型实施例中采用单相变压器的晶体加热炉电源示意图；

图6是本实用新型实施例中采用三相变压器的晶体加热炉电源示意图；

图7是本实用新型另一实施例中采用单相变压器的晶体加热炉电源示意图；

图8是本实用新型实施例中晶体加热炉升温熔料阶段电压输出对比示意；

图9是本实用新型实施例中电流谐波对比曲线图；

图10是本实用新型实施例中电压输出波形示意图；

图11是本实用新型实施例中功率因数提高曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

如图2所示的一种晶体加热炉电源，包括变压器，用于将电网电压转换成晶体加热炉工作所需的电压；主控电路，与所述变压器连接，用于检测所述变压器的输出功率，根据所述输出功率大小调节所述变压器的原边输入电压；所述变压器的原边绕组具有至少两个抽头，每个所述抽头串接一组正反向可控硅电路，每组所述正反向可控硅电路均与所述主控电路连接；其中，所述主控电路还用于根据晶体加热炉工作时晶体生长不同阶段所需的不同电压，控制通断每组所述正反向可控硅电路从而调整所述变压器的原边输入电压以满足晶体生长不同阶段所需的不同电压。

具体的，以现有晶体生长工艺为例，所述变压器通过主电路连接电网。所述变压器原边绕组具有三个抽头，每个所述抽头均串联一组正反向可控硅电路形成第一可控硅电路、第二可控硅电路和第三可控硅电路；所述主控电路具体用于依次循环执行以下控制操作：控制导通所述第一可控硅电路，当检测到所述变压器原边的电压达到U1时，导通所述第二可控硅电路，第三可控硅电路保持关闭；然后当检测到所述变压器原边的电压达到U2时，第一可控硅电路关闭，导通所述第三可控硅电路直至所述变压器原边的电压到达U3。其中U1＜U2＜U3。

当然本发明不限于U1、U2、U3三个等级的电压，可以为N个更多，N为≥4的整数，本领域技术人员可根据需要设置。

所述变压器为单相变压器或三相变压器。所述三相变压器为采用星型-三角形、星型-星型、三角形-三角形、三角形-星型接线方式之一的三相变压器。

本实用新型通过移相触发结合叠层控制技术进行调压控制，运用多个电压等级输入的变压器，在变压器原边增加至少一组或多组对应电压等级的抽头，并在抽头的输入端串联正反向可控硅，通过叠层控制各组可控硅的导通情况来调节变压器原边各绕组的连通情况，进而使变压器连续输出。本实用新型对比传统移相控制，运用叠层技术可有效提高了系统的功率因数，减小系统电压、电流谐波，提高转换效率，使设备运行得更稳定，提升晶体生产现场主变压器容量。

本实用新型电源变压器采用多个电压等级输入、单个电压等级输出的变压器，所述变压器原边各抽头端串联有一组正反向可控硅，所述可控硅由控制部分的电路板进行移相触发控制；所述变压器输入侧的电压等级根据晶体晶体生长工艺进行确定，且至少为两个电压等级。

进一步的，所述变压器的相数由晶体晶体生长炉的负载形式决定，分为单相变压器和三相变压器；对于三相变压器又可分为星型-三角形，星型-星型，三角形-三角形，三角形-星型等几种接线方式。

进一步的，所述变压器采用夹层水冷技术方案，即对变压器原副边同时进行冷却；运用立式结构的安装方式，便于安装和减少铜排用量。

本新型交流晶体电源采用叠层控制的方式进行调压控制，即当变压器原边的低电压档位绕组达到额定输出时开通中电压档位的绕组，在中电压档位绕组达到额定输出时开通高电压档位的绕组，同时关断低电位档位绕组，在高电压档位绕组达到额定输出时关断中电压档位绕组，依次进行叠层控制，使变压器各绕组在近似正弦波的状态下运行，进而有效降低因可控硅在低导通角阶段产生的电流谐波。通过采用与晶体生长工艺匹配的多电压等级绕组，使变压器各绕组在高效率的状态下运行，进而提升功率因数。

进一步的，对于三相变压器，则需使三相的相同电压档位绕组同步运行，即同时开通或同时关断。

下面通过实例结合附图对本实用新型做详细说明。

如图1所示，晶体晶体生长工艺中主要分为升温熔料阶段（T1）、长晶阶段（T2）、退火阶段（T3），各阶段对电源的功率不同，其中熔料阶段需使加热电源达到额定功率输出。各阶段达到的最大电压为：熔料阶段（U3），长晶阶段（U3+U2）,退火阶段（U2+U1）。

如图4所示，现有技术中采用单输入、单输出的变压器，通过电路板采用移相触发的方式控制可控硅的导通对变压器原边进行调压控制，进而调节副边输出电压，最终调节电源的功率输出。如图5和图6所示，结合图2，本新型技术采用多个电压等级输入、单个电压等级输出的变压器，变压器原边各抽头端串联有一组正反向可控硅，通过主控电路采用叠层结合移相触发控制的方式控制正反向可控硅的导通，对变压器原边进行调压控制。

如图8所示，以晶体升温熔料阶段为例，左边为现有技术的输出波形，右边为本新型叠层控制的输出波形，由于可控硅在低导通角时，其电流谐波大，为此采用叠层控制，使低电压档U1全输出结合中电压档U2输出，可有效降低电流谐波。如图9所示，图中进线电流谐波曲线为相同输出功率下，实测的电流谐波含量，通过曲线可得出，进线电流谐波比较传统的宝石电源降低了10%-20%。

如图6所示，本实用新型采用叠层技术结合移相触发的方式，结合图10所示，在升温熔料初期需低功率（电压）输出时，通过主控电路先控制U1电压档位可控硅导通，使变压器处于U1档位运行进行升温熔料，随着功率需求的增大，通过控制使U2电压档可控硅导通，使变压器处于U1+U2档位运行，当全输出U2时，断开U1电压档位，使变压器完全在U2电压档位运行，继续进行升温熔料，随着功率需求的继续增大，通过控制使U3电压档位可控硅导通，使变压器处于U2+U3档位运行，当全输出U3使，断开U2电压档位，使变压器完全在U3电压档位运行，最终使电源以额定功率输出完成熔料。同理，在长晶、退火阶段，也通过叠层、顺次导通变压器绕组，使变压器工作于不同电压等级的状态下输出对应的电压。

通过上述叠层方式使变压器运行在较高的效率点上，如图11所示，图中曲线为相同状态下的实测进线功率因数曲线，通过叠层控制可大幅度提升变压器的功率因数，进而降低变压器发热情况，最终将低晶体晶体生长车间主变压器的温升，提升其容量，最终节约设备的投入成本。

变压器的冷水水管贯穿于原、副边，通水后可对变压器原副边进行同时冷却。

在另一个实施例中，参看图3和图7，该晶体加热炉电源还包括电压智能切换电路，所述电压智能切换电路包括自耦变压器和开关电路(图7中K0、K1、K2)，所述自耦变压器一端通过主电路连接电网，另一端通过所述开关电路连接所述变压器，所述开关电路连接所述主控电路；其中，所述主控电路还用于当所述晶体加热炉电源工作在所述升温阶段和降温退火阶段到预定电压值的时候，控制所述开关电路导通切换至所述自耦变压器，此时主电路到变压器之间断开。由自耦变压器的输出为所述变压器的原边提供电压，此时电源进入二次再叠层工作状态。由于退火阶段时间较长，当电压从U2逐渐降低到U1直至低于U1时，此时可控硅电路不全导通，导致谐波大，功率因数低，为提高功率因数，通过自耦变压器将变压器原边输入电压降低，使可控硅电路全导通后输出对应的低电压。自耦变压器的作用是将输入电压降低后输出，比如输入380V，通过自耦变压器后输出只有190V（具体可根据生产工艺设定）。

本实用新型具有如下的有益技术效果：

1.根据电源负载功率需求及变压器工作情况，通过将电源的变压器输入端分为多个电压等级，使变压器处于高效率的状态下运行，可有效提升功率因数；

2.采用与各工艺阶段需求电压匹配的多个电压等级进行叠层控制，通过使可控硅处于接近全导通至全导通的工作状态，可有效降低系统的进线电流谐波；

3.通过对变压器功率因数的提升，可减少晶体晶体生长车间主变压器的发热量，进一步提升主变压器容量，减少设备投入，进而节约成本；

4.通过采用夹层水冷式变压器，同时对原副边进行散热、冷却，冷却效果较风冷更为明显，即降低了因风机故障造成的电源故障，又减少了对晶体生长的影响；

5.运用立柱式安装的变压器，可有效节约铜排的使用量，节约成本。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了详细说明，但本实用新型并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (6)

1.一种晶体加热炉电源，包括：

变压器，用于将电网电压转换成晶体加热炉工作所需的电压；

主控电路，与所述变压器连接，用于检测所述变压器的输出功率，根据所述输出功率大小调节所述变压器的原边输入电压；

其特征在于，所述变压器的原边绕组具有至少两个抽头，每个所述抽头串接一组正反向可控硅电路，每组所述正反向可控硅电路均与所述主控电路连接；

其中，所述主控电路还用于根据晶体加热炉工作时晶体生长不同阶段所需的电压值，控制每组所述正反向可控硅电路通断从而调整所述变压器的原边输入电压以满足晶体生长不同阶段所需的不同电压。

2.根据权利要求1所述的晶体加热炉电源，其特征在于，所述变压器原边绕组具有三个抽头，每个所述抽头均串联一组正反向可控硅电路形成第一可控硅电路、第二可控硅电路和第三可控硅电路；

所述主控电路具体用于依次循环执行以下控制操作：控制导通所述第一可控硅电路，当检测到所述变压器原边的电压达到U1时，导通所述第二可控硅电路，第三可控硅电路保持关闭；然后当检测到所述变压器原边的电压达到U2时，第一可控硅电路关闭，导通所述第三可控硅电路直至所述变压器原边的电压到达U３；其中U1＜U2＜U3。

3.根据权利要求2所述的晶体加热炉电源，其特征在于，所述晶体加热炉电源还包括电压智能切换电路，所述电压智能切换电路包括自耦变压器和开关电路，所述自耦变压器一端通过主电路连接至电网，另一端通过所述开关电路连接所述变压器，所述开关电路连接所述主控电路；

其中，所述主控电路还用于当所述晶体加热炉电源工作在升温熔料阶段和降温退火阶段到预定输出电压值的时候，控制所述开关电路导通切换至所述自耦变压器，由所述自耦变压器将电网电压变压后输出到所述变压器的原边。

4. 根据权利要求3所述的晶体加热炉电源，其特征在于，所述变压器通过所述主电路直接连接至电网，同时通过所述电压智能切换电路连接至电网。

5.根据权利要求1-4任一项所述的晶体加热炉电源，其特征在于，所述变压器为单相变压器或三相变压器。

6.根据权利要求5所述的晶体加热炉电源，其特征在于，所述三相变压器为采用星型-三角形、星型-星型、三角形-三角形、三角形-星型接线方式之一的三相变压器。