JP2013251268A - 単相交流電流を発生させるためのインバータを備える給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力部の各電圧値間の相違が避けられる給電装置を提供する。
【解決手段】 単相交流電流を発生させるためのインバータ３と、１つの一次側コイル４１、第１の二次側コイル４２１、および第２の二次側コイル４２２を有する変圧器４とを備える給電装置である。各二次側コイル４２１，４２２は、同じ巻線数を有し、変圧器４の稼働中同じ磁束が流れるように配設され、該二次側コイルでは、変圧器４の稼働中、同じ電圧をタップ可能である。第１の二次側コイル４２１の接続部と第２の二次側コイル４２２の接続部とが、第１のポイントＫ１で互いに結合され、第１のポイントＫ１と、第１の二次側コイル４２１のさらなる接続部と、第２の二次側コイル４２２のさらなる接続部との間に位相が１８０°ずつシフトしている二相系が生じることになる。第１のポイントＫ１は、コンデンサを介して、給電装置の出力部の中性導体接続部Ｎと結合される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単相交流電流を発生させるためのインバータと、１つの一次側コイル、第１の二次側コイル、および第２の二次側コイルを有する変圧器とを備える給電装置に関し、各二次側コイルは、同じ巻線数を有し、そして、変圧器の稼働中同じ磁束が流れるように配設され、したがって、該二次側コイルでは、変圧器の稼働中、同じ電圧をタップ可能であり、この場合、第１の二次側コイルの接続部と第２の二次側コイルの接続部とが、第１のポイントで互いに結合され、第１のポイントと、第１の二次側コイルのさらなる接続部と、第２の二次側コイルのさらなる接続部との間に位相が１８０°ずつシフトしている二相系が生じることになる。

このような給電装置は、特許文献１から知られる（その図１ｂ参照）。該文献からさらにまた、この第１の給電装置は、シーメンス法に従ったポリシリコンを製造するためにシリコン棒に給電するために利用可能であることが知られる。上述の特許文献１の図１ｂに示された各給電装置は、それぞれ２つの出力部を備え、該出力部では、１８０°ずつ互いにシフトされた、すなわち反対位相の電圧が利用可能である。これらの電圧によって、シリコン棒には１〜１０００ｋＨｚの周波数を有する中周波電流が流れる。これらの反対位相の電圧は、２つの変圧器によって作られ、該変圧器は、１つの一次側コイルと２つの二次側コイルとを含む。該二次側コイルは、第１のノードに共に結合されている。この第１のノードは、それぞれ、給電装置の出力部の中性導体接続部と結合される。二次側コイルのさらなる接続部は出力部にある外部導体接続部と結合される。

第１の給電装置による給電の他に、シリコン棒は、特許文献１に記載されるように、第１の給電装置による給電と同時に第２の給電装置によっても給電される。この第２の給電装置には、シリコン棒が直列に切換え可能に接続されている。この給電はおよそ５０Ｈｚの周波数の電流によって行われる。

特許文献１には、第１の給電装置と第２の給電装置とがコンデンサによって互いから切り離されることが開示されている。このために、出力部の外部導体接続部と、変圧器の二次側コイルのさらなる接続部との間にはコンデンサが組込まれる。これらのコンデンサは、さらなる構成要素と共にハイパスフィルタを形成し、それによって、第２の給電装置によって供給される電流が第１の給電装置に流入して、損傷、破壊を引き起こすことが防止される。第１の給電装置の出力部の電圧は、同じ第１の給電装置の他の出力部の反対位相の電圧によって相殺されるので、反対に、第２の給電装置が、第１の給電装置から切り離される。

欧州特許出願公開第２３４６１５０号明細書

実際には、第１の給電装置の出力部の各負荷が同じ大きさでない場合には、問題が発生する可能性がある。特に、１つの負荷のインダクタンスが、他の負荷のインダクタンスよりも大きい場合には、第１の給電装置の出力部で利用できる電圧には、部分的にはかなりの違いが生じ得る。このことによって、第１の給電装置の各出力部における電圧の総計が０Ｖより大きくはならないということになる。そうでなければ、そのかわりに数百Ｖの大きさになる。得られる電圧は、第１の給電装置が駆動される周波数に依存する。

第１の給電装置の負荷が一様でなく、それによって生じる、第１の給電装置の直列に切換え可能に接続された出力部の電圧によって、第２の給電装置を損傷させる、または破壊するということが起こり得る。

本発明は、したがって、第１の給電装置を、冒頭で述べた第１の給電装置の出力部の各電圧値間の相違が、できる限り避けられるように形成することを課題とする。

本発明は、単相交流電流を発生させるためのインバータ（３）と、１つの一次側コイル（４１）、第１の二次側コイル（４２１）、および第２の二次側コイル（４２２）を有する変圧器（４）とを備える給電装置であって、各二次側コイル（４２１，４２２）は、同じ巻線数を有し、変圧器（４）の稼働中同じ磁束が流れるように配設され、該二次側コイル（４２１，４２２）では、変圧器（４）の稼働中、同じ電圧をタップ可能であり、第１の二次側コイル（４２１）の接続部と第２の二次側コイル（４２２）の接続部とが、第１のポイント（Ｋ１）で互いに結合され、第１のポイント（Ｋ１）と、第１の二次側コイル（４２１）のさらなる接続部と、第２の二次側コイル（４２２）のさらなる接続部との間に位相が１８０°ずつシフトしている二相系が生じることになる、給電装置において、
第１のポイント（Ｋ１）は、コンデンサを介して、給電装置の出力部の中性導体接続部（Ｎ）と結合され、
変圧器の一次側コイルに直列にコンデンサが配設され、
電圧が、二次側コイルの少なくとも１つを介して、不連続に、または連続して調整可能であり、および／または
二次側コイルのさらなる接続部と出力部の外部導体接続部との間に、少なくとも１つが調整可能な容量を有するコンデンサが配設されることを特徴とする、給電装置である。

本発明において、第１の二次側コイル（４２１）のさらなる接続部は、第１の外部導体接続部（Ｌ１）と結合され、第２の二次側コイル（４２２）のさらなる接続部は、第２の外部導体接続部（Ｌ２）と結合されることを特徴とする。

本発明において、第１の二次側コイル（４２１）のさらなる接続部と第１の外部導体接続部（Ｌ１）との間にコンデンサ（Ｃ１）が接続され、第２の二次側コイル（Ｌ２）のさらなる接続部と第２の外部導体接続部（Ｌ２）との間にコンデンサ（Ｃ２）が接続されることを特徴とする。

本発明において、インバータ（３）は、パワートランジスタ（３１）を有するＨブリッジであることを特徴とする。

本発明において、給電装置は、周波数変換器（１，２，３）を有し、インバータ（３）は周波数変換器（１，２，３）の一部であることを特徴とする。

また本発明は、シーメンス法に従ったポリシリコンを製造するための反応炉であって、反応炉容器内に配設可能であるシリコン棒またはシリコン細棒に、誘導加熱のために交流電流を供給するための第１の給電装置を備える、反応炉において、第１の給電装置は、上述の給電装置であることを特徴とする、反応炉である。

本発明において、反応炉は、シリコン棒またはシリコン細棒に、誘導加熱のために交流電流を供給するための第２の給電装置を備え、第１の給電装置によって作られる交流電流の周波数は、１０〜１０００ｋＨｚであり、第２の給電装置によって作られる交流電流の周波数は１０〜１００Ｈｚであることを特徴とする。

この課題は、発明に従えば、変圧器の一次側コイルに直列に、または第１のノードと、給電装置の出力部の中性導体接続部との間に、コンデンサを配設することによって解決される。

第１のノードを中性導体接続部と結合するコンデンサ、または、一次側コイルに直列に設けられたコンデンサは、給電装置の稼働中、直接、または間接に、すなわち変圧器が間に接続されて、給電装置の第１の二次側コイルによる電流回路にも、また第２の二次側コイルの電流回路にもある。したがって、コンデンサによって、給電装置の出力部における各電圧値間の相違の比較をすることができる。コンデンサは、特に、これが二次側に配設されている場合には、２〜１０μＦ、特に４．５μＦの容量を有することが可能である。

概念的には、変圧器が代替回路と置き換えられる場合には、コンデンサを、一方では変圧器の一次側コイルに直列に、他方では、第１のノードと中性導体接続部との間に設けることによって等価となることは明らかである。したがって、当業者にとっては、一次側に配設されたコンデンサも両負荷回路において作用することは明らかである。

第１の二次側コイルのさらなる接続部は、好ましくは第１の外部導体接続部と結合され、第２の二次側コイルのさらなる接続部は、第２の外部導体接続部と結合される。したがって、本発明によって、外部導体接続部間の電圧は、技術の水準と比べてかなり低減させることが可能である。

たとえば、外部導体接続部を、二次側コイルのさらなる接続部と直接結合することが可能である。そうすると、給電装置の出力部における負荷が等しくない場合でも、特に、負荷の同じでない誘導性要素による、オーム・誘導負荷の場合にでも、外部導体接続部間の電圧を０Ｖまたは０Ｖに近い値にすることが可能である。

しかしながら、外部導体接続部は、コンデンサを介して二次側コイルのさらなる接続部と結合することも可能である。この場合にも、給電装置の出力部における負荷が同じでない場合、外部導体間の電圧を低減することが可能である。しかしながら、この低下は、外部導体接続部にこれらのコンデンサを設けないときほど明らかではない。

その課題は、発明に従えば、その電圧が、二次側コイルの少なくとも１つを介して、不連続に、または連続して調整可能であるとすることによっても解決可能である。その電圧の不連続な調整は、二次側コイルの少なくとも１つが複数のタップを有することによって達成可能である。電圧が二次側コイルの少なくとも１つを介して調整可能である場合、電圧が発明に従った給電装置に接続された負荷にかかる電圧の値が等しくなるように電圧を変更することが可能である。

さらにまた、発明に従えば、二次側コイルのさらなる接続部と出力部の外部導体接続部との間に、少なくとも１つが調整可能な容量を有するコンデンサを配設することによって解決することも可能である。このような調整可能なコンデンサによっても、電圧を、発明に従った給電装置に接続された負荷にかかる電圧値を同じにすることを達成可能である。

インバータはパワートランジスタを有するＨブリッジであってもよい。
給電装置は、周波数変換器を有し、インバータは周波数変換器の一部であってもよい。インバータの他に、周波数変換器は整流器と直流電圧中間回路を有してもよい。

周波数変換器は、サイクロコンバータであってもよい。インバータは本明細書の意味においてはサイクロコンバータの集積化された構成要素である。

発明に従った給電装置は、シーメンス法に従ってポリシリコンを製造するための反応炉の一部であってもよい。発明に従った給電装置は、誘導加熱のためにシリコン棒またはシリコン細棒に交流電流を供給するための第１の給電装置であってもよい。シリコン棒またはシリコン細棒は、反応炉容器内に配設することが可能である。反応炉容器内にはシリコン棒またはシリコン細棒を取り付ける取付け具が設けられる。該取付け具は、同時に、シリコン棒またはシリコン細棒が負荷回路内に結合される電気接続部でもある。

反応炉は、シリコン棒またはシリコン細棒に、誘導加熱のために交流電流を供給するための第２の給電装置を備えてもよい。この第２の給電装置は、複数の二次側タップを有する変圧器と、たとえば特許文献１に開示されるように、それに接続された、電圧シーケンス制御において駆動され、第２の給電装置の出力部の外部導体接続部と結合されるパワーレギュレータとを含む。第１の給電装置によって作られる交流電流の周波数は、１〜１０００ｋＨｚであり、第２の給電装置によって作られる交流電流の周波数は１０〜１００Ｈｚである。

本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照して、以下の好適な実施形態についての説明によって明らかになるであろう。

技術の水準に従った給電装置の回路図である。 第１の発明に従った給電装置の回路図である。 第２の発明に従った給電装置の回路図である。

技術の水準に従った、図１に示した給電装置は、整流器１と、直流電圧中間回路２と、インバータ３とを含む周波数変換器を備える。

整流器１は、外部導体Ｌ１’と給電プラントの中性導体Ｎ’に結合されている。整流器の出力部には、直流電圧中間回路２を形成するコンデンサが結合されている。直流電圧中間回路２にはインバータ３が結合されている。

インバータ３は、インバータの場合何倍にも拡張されるような、ＩＧＢＴ３１からなるＨブリッジである。ＩＧＢＴの代わりに他の制御可能なスイッチを利用することも可能である。Ｈブリッジのクロスブランチには、変圧器４の一次側コイル４１が結合されている。二次側では、変圧器４は２つのコイル４２１，４２２を有している。これら２つの二次側コイルは、鉄心上に設けられ、どちらも同じ磁束が貫通する。各二次側コイル４２１，４２２は同じ巻き線数を有するが、互いに対抗した巻きになっている。

一方の二次側コイルの接続部と他方の二次側コイルの接続部とはポイントＫ１に共に導かれている。このノードによって、給電装置の出力側にある中性導体接続部Ｎとの電気的結合が達成される。

二次側コイル４２１，４２２の夫々のさらなる接続部は、コンデンサＣ１，Ｃ２を介して給電装置出力部側の外部導体Ｌ１，Ｌ２と結合されている。

給電装置は、その出力部Ｌ１，Ｎ；Ｌ２，Ｎで、空転している時であって出力部Ｌ１，Ｎ；Ｌ２，Ｎの負荷が対称である場合に同じ値となる、２つの対抗した位相の電圧が使える。外部導体Ｌ１，Ｌ２間の電圧は０Ｖとなる。

これら出力部の負荷を非対称とすることによって、両出力部Ｌ１，Ｎ，Ｌ２，Ｎにおける電圧の値は異なる大きさにすることが可能となる。外部導体接続部Ｌ１，Ｌ２間の電圧は０Ｖではない。この違いは、出力部における交流電圧の周波数に、および、給電装置をより大きな装置に結合するためには問題となる、大きな装置における負荷のタイプに依存する。特に、異なる誘導負荷の場合、給電装置が稼働している時には、交流電圧が流れ得る。特に、周波数が、二次側コイル４２１、コンデンサＣ１、負荷ＲＬ１，ＬＬ１を有して、場合によっては、二次側コイル４２２、コンデンサＣ２，負荷ＲＬ２，ＬＬ２を有して、出力電流回路の共振周波数付近にある交流電圧を準備するために給電装置を稼働する場合、外部導体接続部Ｌ１およびＬ２との間の電圧を高くすることが可能である。

たとえば、第１の発明に従った給電装置は、図２従ったものであり、図２以外のところは図１に従った給電装置に対応するものであるが、このような第１の発明に従った給電装置の場合のように、コンデンサＣＮが、ポイントＫ１と中性導体接続部Ｎとの間に結合されてオンとなる場合には、これらの電圧は、かなり低下させることが可能である。

コンデンサＣＮによって、出力電流回路が結合され、これによって外部導体接続部Ｌ１，Ｌ２間の電圧が低下することになる。出力部Ｌ１，Ｎ；Ｌ２，Ｎの電圧は、図１に記載した場合のときには、非対称な負荷に合わせられる。

変圧器４の二次側コイル４２１，４２２のさらなる接続部と外部導体接続部Ｌ１，Ｌ２との間の結合部におけるコンデンサＣ１，Ｃ２が、導体結合によって代用され、第２の発明に従った回路装置であって、残りのところは図２に従った第１の発明に従った回路装置に対応する回路装置について、図３に示されているように、コンデンサＣＮだけが、第１のポイントＫ１と中性導体接続部との間に設けられる場合には、出力部Ｌ１，Ｎ；Ｌ２，Ｎの非対称な負荷の場合、特に、抵抗・誘導負荷の場合、外部導体間の電圧は、ほぼ１００％の低下を達成可能である。

１ 整流器
２ 直流電圧中間回路
３ インバータ
３１ ＩＧＢＴ
４ 変圧器
４１ 一次側コイル
４２１，４２２ 二次側コイル
Ｋ１ ポイント
Ｃ１，Ｃ２，ＣＮ コンデンサ

Claims (7)

1. 単相交流電流を発生させるためのインバータ（３）と、１つの一次側コイル（４１）、第１の二次側コイル（４２１）、および第２の二次側コイル（４２２）を有する変圧器（４）とを備える給電装置であって、各二次側コイル（４２１，４２２）は、同じ巻線数を有し、変圧器（４）の稼働中同じ磁束が流れるように配設され、該二次側コイル（４２１，４２２）では、変圧器（４）の稼働中、同じ電圧をタップ可能であり、第１の二次側コイル（４２１）の接続部と第２の二次側コイル（４２２）の接続部とが、第１のポイント（Ｋ１）で互いに結合され、第１のポイント（Ｋ１）と、第１の二次側コイル（４２１）のさらなる接続部と、第２の二次側コイル（４２２）のさらなる接続部との間に位相が１８０°ずつシフトしている二相系が生じることになる、給電装置において、
   第１のポイント（Ｋ１）は、コンデンサを介して、給電装置の出力部の中性導体接続部（Ｎ）と結合され、
   変圧器の一次側コイルに直列にコンデンサが配設され、
   電圧が、二次側コイルの少なくとも１つを介して、不連続に、または連続して調整可能であり、および／または
   二次側コイルのさらなる接続部と出力部の外部導体接続部との間に、少なくとも１つが調整可能な容量を有するコンデンサが配設されることを特徴とする、給電装置。
2. 第１の二次側コイル（４２１）のさらなる接続部は、第１の外部導体接続部（Ｌ１）と結合され、第２の二次側コイル（４２２）のさらなる接続部は、第２の外部導体接続部（Ｌ２）と結合されることを特徴とする、請求項１に記載の給電装置。
3. 第１の二次側コイル（４２１）のさらなる接続部と第１の外部導体接続部（Ｌ１）との間にコンデンサ（Ｃ１）が接続され、第２の二次側コイル（Ｌ２）のさらなる接続部と第２の外部導体接続部（Ｌ２）との間にコンデンサ（Ｃ２）が接続されることを特徴とする、請求項２に記載の給電装置。
4. インバータ（３）は、パワートランジスタ（３１）を有するＨブリッジであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の給電装置。
5. 給電装置は、周波数変換器（１，２，３）を有し、インバータ（３）は周波数変換器（１，２，３）の一部であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の給電装置。
6. シーメンス法に従ったポリシリコンを製造するための反応炉であって、反応炉容器内に配設可能であるシリコン棒またはシリコン細棒に、誘導加熱のために交流電流を供給するための第１の給電装置を備える、反応炉において、第１の給電装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の給電装置であることを特徴とする、反応炉。
7. 反応炉は、シリコン棒またはシリコン細棒に、誘導加熱のために交流電流を供給するための第２の給電装置を備え、第１の給電装置によって作られる交流電流の周波数は、１０〜１０００ｋＨｚであり、第２の給電装置によって作られる交流電流の周波数は１０〜１００Ｈｚであることを特徴とする、請求項６に記載の反応炉。

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