JP2013252049A - Ｎ相交流電流を発生するためのインバータを備える給電装置 - Google Patents

Ｎ相交流電流を発生するためのインバータを備える給電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 第１の給電装置の出力部における電圧間に相違ができる限り生じないように第１の給電装置を構成する。
【解決手段】 本発明は、Ｎ相交流電流を発生するためのインバータ（１２）、および少なくとも１つの、一次側コイル（２１１，２１２，２１３）と二次側コイル（２２１，２２２，２２３）とを有するＮ相交流電流変圧器（２）を備え、一次側コイル（２１１，２１２，２１３）は多角結線に構成され、変圧器（２）の空転時には、Ｎ個の二次側コイル（２２１，２２２，２２３）にかかる電圧のベクトルの合計が零になる、給電装置（ＭＦ）に関する。一次側コイル（２１１，２１２，２１３）によって形成された多角形の各角の頂点は、インバータの外部導体接続部と各コンデンサ（Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３）を介して結合される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｎ相交流電流を発生するためのインバータ、および少なくとも１つの、一次側コイルと二次側コイルとを有するＮ相交流電流変圧器を備える給電装置に関し、一次側コイルは多角結線に構成され、変圧器の空転時には、Ｎ個の二次側コイルにかかる電圧のベクトルの合計は零になる。
未公開ヨーロッパ特許出願（出願番号１１１７４５４６．９）からこのような給電装置が知られる（出願番号１１１７４５４６．９の図１を参照）。また同じヨーロッパ特許出願（出願番号１１１７４５４６．９）から、ポリシリコンを製造するためのシリコン棒への給電のためにこの第１の給電装置を利用することが知られる。上記出願１１１７４５４６．９に示される第１の給電装置は３つの出力部を含み、該出力部で、互いに１２０°ずつシフトされた電圧が自由に利用される。これらの電圧は、１〜１００ｋＨｚの周波数を有する中波電流をシリコン棒に流す。該電圧は、３つの一次側コイルと３つの二次側コイルを有する三相交流電流変圧器によって準備される。一次側コイルは三角結線に構成されてなる。変圧器の空転時には、３つの二次側コイルにかかる電圧のベクトルの合計は零になる。
３つの二次側コイルは、直列に結合され、給電装置の３つの出力部に並列に設けられてなる。これらの出力部には、負荷としてのシリコン棒が結合され、該シリコン棒に給電装置が電流を供給する。
第１の給電装置による給電に加えて、上述の出願１１１７４５４６．９に記載されているように、シリコン棒は、第１の給電装置による給電のために、同時に、第２の給電装置から給電されることが可能である。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結合されている。給電はおよそ５０Ｈｚの周波数の電流で行われる。
上記出願１１１７４５４６．９には、第１の給電装置の直列に切換え可能な出力部を介して、電圧がただちに零になることによって、第２の給電装置が第１の給電装置から切り離されることが記載されている。
実際には、第１の給電装置の出力部における各負荷の大きさ同じでない場合には、問題が起こり得る。特に、一方の負荷の誘電率が、他方の負荷の誘電率よりも大きい場合、第１の給電装置の出力部において使える電圧の大きさにかなりの違いが生じ得る。この結果、第１の給電装置の出力部の電圧の総計はもはや０Ｖにはならない。その代わりに、数百Ｖに達することになる。この場合、到達する電圧は、第１の給電装置が駆動される周波数に依存する。
第１の給電装置の一様でない負荷と、それから生じる、第１の給電装置の直列に接続された出力部における電圧が、第２の給電装置の損傷または破壊を引き起こすことになる。
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた第１の給電装置の出力部における電圧間に相違が、できる限り生じないように第１の給電装置を構成することにある。
本発明は、Ｎ相交流電流を発生するためのインバータ（１２）、および少なくとも１つの、一次側コイル（２１１，２１２，２１３）と二次側コイル（２２１，２２２，２２３）とを有するＮ相交流電流変圧器（２）を備え、一次側コイル（２１１，２１２，２１３）は多角結線に構成され、変圧器（２）の空転時には、Ｎ個の二次側コイル（２２１，２２２，２２３）にかかる電圧のベクトルの合計が零になる、給電装置（ＭＦ）において、
一次側コイル（２１１，２１２，２１３）によって形成された多角形の各角の頂点が、インバータの外部導体接続部と各コンデンサ（Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３）を介して結合され、
Ｎ−１個の二次側コイル（２２１，２２２，２２３）の電圧を不連続にまたは連続して調整可能とし、
コンデンサは、二次側コイル（２２１，２２２，２２３）に直列に設けられ、少なくともＮ−１個のコンデンサは調整可能な容量を有することを特徴とする、給電装置（ＭＦ）である。
本発明において、給電装置（ＭＦ）の出力部は、二次側コイル（２２１，２２２，２２３）に並列に設けられることを特徴とする。
本発明において、給電装置（ＭＦ）の出力部は、二次側コイル（２２１，２２２，２２３）の夫々と各コンデンサ（Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３）とから成る直列回路に並列に設けられることを特徴とする。
本発明において、インバータ（１２）は、パワートランジスタ（１２１）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（１１，１２，ＣＧ）を備え、インバータ（１２）は該周波数変換器（１１，１２，ＣＧ）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（ＭＦ）を備える、反応炉において、第１の給電装置（ＭＦ）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（ＶＳＣ）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、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１〜１００Ｈｚであることを特徴とする。
この課題は、発明に従えば、一次側コイルによって形成された多角形の各角の頂点が、インバータの外部導体接続部と各コンデンサを介して結合されることによって解決される。
多角形の各角の頂点を外部導体接続部と結合するコンデンサは、給電装置の稼働中、間接的に、すなわち変圧器の中間スイッチの管理下において、２つの負荷の電流回路の中に配設される。したがって、コンデンサが、給電装置の各出力部における電圧値の相違の調整を行うことになる。これらのコンデンサは、４〜６μＦの容量、特に４．５μＦの容量を有することが可能である。一次側のコンデンサは、二次側のコンデンサとは異なる容量および電圧負荷値を有してもよい。二次側コンデンサの典型的容量値としては、２〜１０μＦとすることが可能である。
給電装置の出力部は、好ましくは二次側コイルに並列に設けられる。
また、好ましくは、給電装置の出力部は、二次側コイルの夫々と追加のコンデンサとから成る直列回路に並列に設けられる。この追加のコンデンサによって、発明に従った給電装置、すなわち以下において第１の給電装置とも表する給電装置は、第１の給電装置の出力部の直列回路に対して並列に設けられた第２の給電装置から切り離されることが可能である。この追加のコンデンサは、さらなる構成要素と共に、第２の給電装置によって駆動される、第１の給電装置の出力部電流に比べて周波数が低い電流が第１の給電装置に流れこれを損傷させるまたは破壊するということを防止するハイパスフィルタを構成する。
このように第１の給電装置が第２の給電装置から切り離される場合にも、負荷が同じでない場合に、第１の給電装置の全出力部の電圧を低減させることが可能である。しかしながら、この低減は、外部導体接続部におけるコンデンサを断念する場合ほどはっきりとしたものではない。
その課題は、発明に従えば、Ｎ−１個の二次側コイルの電圧を不連続にまたは連続して調整可能とすることによっても解決可能である。該電圧の不連続的な調整は、二次側コイルが複数のタップを有することによって達成可能である。Ｎ−１個の二次側コイルの電圧が調整可能である場合、該電圧を、発明に従った給電装置に接続された負荷の電圧が実質的に同じになるように変更することが可能である。
さらにまた、発明に従った解決手段は、コンデンサは、二次側コイルに直列に設けられ、少なくともＮ−１個のコンデンサは調整可能な容量を有することである。このような調整可能なコンデンサによっても、発明に従った給電装置に接続された負荷の電圧が実質的に同じになるようにすることが可能である。
インバータはパワートランジスタを有するブリッジ回路であってもよい。
給電装置は、周波数変換器を備え、インバータは、該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，整流器および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。本明細書の意味におけるインバータとは、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た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、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、たとえば図１に示すように、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１〜１００Ｈｚ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。
第１の給電装置と第２の給電装置からなる、技術の水準に従った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。
図１に示す、発明に従った装置は、第１の給電装置ＭＦと第２の給電装置ＶＳＣとを備え、これらの給電装置は、これら装置に接続される負荷に電気エネルギを給電するために共同で設けられているものである。負荷は、シーメンス法に従った蒸着によってポリシリコンを製造するための反応炉内に配設されるシリコン棒３である。
反応炉の反応炉容器には、保持部材７が配設され、該保持部材がシリコン棒３を一方側で保持し、他方側では、シリコン棒３と反応炉の電気的接続部との間の電気接点を形成している。
第１の給電装置ＭＦは、入力部を含み、該入力部は、単相交流システムの外部導体Ｌ１と中性導体Ｎに接続されている。第１の給電装置ＭＦは、ＡＣ−ＡＣ変換器１を含み、該ＡＣ−ＡＣ変換器は第１の給電装置ＭＦの入力部に結合されている。
このＡＣ−ＡＣ変換器１は、マトリックスコンバータであって、これによって、５０〜６０Ｈｚの周波数を有するＡＣ−ＡＣ変換器１の入力部における単相交流が、２０〜２００ＭＨｚの周波数を有する三相交流に変換される。したがって、ＡＣ−ＡＣ変換器１は、入力電流を三相交流に変換するための回路と周波数変換器である。ＡＣ−ＡＣ変換器１の出力部では、３つの外部導体Ｌ１’，Ｌ２’，Ｌ３’を介して三相交流を自由に使用することができる。
ＡＣ−ＡＣ変換器１の出力部は三相交流変圧器２と結合され、該三相交流変圧器２の一次側コイル２１１，２１２，２１３は三角接続される。二次側コイル２２１，２２２，２２３は、接続部Ｈ’’，Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’と結合され、接続部Ｈ’’，Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’は、第２の給電装置ＭＦの出力部対を形成する。これらの出力部にはシリコン棒３が接続され、この場合、第１のシリコン棒３１が接続部Ｈ’’，Ｌ１’’と結合され、接続部Ｈ’’，Ｌ１’’は第１の出力部を形成し、第２のシリコン棒３２は接続部Ｌ１’’，Ｌ２’’と結合され、接続部Ｌ１’’，Ｌ２’’は、第２の出力部を形成し、第３のシリコン棒３３は接続部Ｌ２’’，Ｌ３’’と結合され、接続部Ｌ２’’，Ｌ３’’は、第２の給電装置ＭＦの第３の出力部を形成する。外部導体間には１２０°の位相角があるがゆえに、接続部Ｈ’’と接続部Ｌ３’’との間では、対称的負荷の場合、シリコン棒３１，３２，３３を通じて電圧の低下はないように調整される。
ＡＣ−ＡＣ変換器１は、制御部８によって制御されるが、これについての詳細は述べない。
要するに、接続部Ｈ’’とＬ３’’とを、第２の給電装置ＭＦに影響を与えることなく結合することが可能である。二次側コイル２２１，２２２，２２３は、三角接続されるであろう。しかしながら、第１の給電装置の出力部を形成する、第１の給電装置ＭＦの外部導体接続部Ｌ１’’’と中性導体接続部Ｎ’’’を短絡させるので、これら２つの接続部Ｈ’’，Ｌ３’’の間の結合は果たされない。これはしかしながら望ましいことではない。
第１の給電装置ＭＦの接続部Ｈ’’，Ｌ３’’間において電圧の低下はなく、したがって、第２の給電装置ＶＳＣの出力部の接続部Ｌ１’’’，Ｎ’’’間においても第２の給電装置ＭＦによって提供される電圧は低下せず、第１の給電装置ＭＦは、対称負荷の場合、シリコン棒３１，３２，３３を通じて、第２の給電装置ＶＳＣに電流を流すことができない。
第２の給電装置ＶＳＣは、入力部を有し、該入力部は、単相交流システムの外部導体Ｌ１と中性導体Ｎに接続されている。第２の給電装置ＶＳＣは、単相交流変圧器４を含み、該単相交流変圧器４の一次側コイル４１は、第２の給電装置ＶＳＣの入力部と結合されている。変圧器４の二次側コイル４２は、４つのタップ４２１，４２２，４２３，４２４を含み、それらの内の３つのタップ４２１，４２２，４２３は、パワーレギュレータ５１，５２，５３を介して、第２の給電装置の出力部の外部導体接続部Ｌ１’’’と結合されている。それに対して、第４のタップ４２４は、第２の給電装置ＶＳＣの出力部の中性導体出力部Ｎ’’’と結合されている。第４のタップ４２４は二次側コイル４２の端部にある。
パワーレギュレータ５１，５２，５３は、サイリスタパワーレギュレータであり、これらは、２つの逆並列に接続されたサイリスタによって形成される。パワーレギュレータ５１，５２，５３は電圧シーケンス制御で駆動される。
電圧シーケンス制御は、制御部９によって実現され、該制御部９は、パワーレギュレータ５１，５２，５３のサイリスタ、さらにまた制御されるべき構成要素、および／または電流、電圧その他を検出するセンサに結合されるが、これについてはより詳細な説明は記載していない。
第２の給電装置ＶＳＣが第１の給電装置ＭＦに逆行することを防止するために、第１の給電装置ＭＦの出力部に、第２の給電装置ＶＳＣの出力電圧が通過することができないハイパスフィルタを組み込んでもよい。
図１に示した装置、特に第１の給電装置ＭＦは、複数の出力部への複数のシリコン棒の接続を可能にするために、拡張していくことができる。このために、三相交流システムのための出力部を有するＡＣ−ＡＣ変換器の代わりに、三相以上の、たとえば、四相、五相、または六相の多相交流システムのための出力部を適用することが可能であるＡＣ−ＡＣ変換器を利用することが可能である。
各一次側コイルが対になって並列に接続され、各二次側コイルが直列に接続された２つの三相交流変圧器２を利用することによって第１の給電装置を拡張することも可能である。
第１の給電装置ＭＦは、その出力部Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’，Ｈ’’において、３つの１２０°ずつ互いにシフトされた電圧を利用することができ、それらの電圧は、空転時および出力部Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’，Ｈ’’の接続部における負荷が対称的負荷のときには０Ｖになる。
出力部Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’，Ｈ’’の接続部の非対称的負荷によって、出力部Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’，Ｈ’’の接続部の電圧をそれぞれ実質的に異なった大きさにすることが可能である。接続部Ｌ３’’’と接続部Ｈ’’との間の電圧は、０Ｖではない。相違は、各出力部における交流電圧の周波数次第であり、負荷の大きさ次第であり、後者は、第１の給電装置ＭＦを１つのより大きな装置にまとめるためには問題となることである。特に、異なった誘導性負荷の場合、第１の給電装置を運転している時に、交流電圧が分岐することが可能である。特に、出力電流回路の共振周波数付近にある周波数を有する交流電圧を供給するために第１の給電装置を駆動する場合には、接続部Ｌ３’’と接続部Ｈ’’との間の電圧は高くなり得る。
発明に従えば、ＡＣ−ＡＣ変換器１の出力部の接続部と、三角接続された一次側コイル２１１，２１２，２１３の各角の頂点との間に、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が接続される。発明に従った第１の給電装置ＭＦを図２および図３に示す。
図２および図３に示された第１の給電装置ＭＦは、大部分において、図１に示された給電装置ＭＦに対応する。したがって、機能的に同じ構成要素および構成部品には、同じ参照符号が付されている。図２には、第２の給電装置ＶＳＣは示されていない。しかしながら、これも、図１および図２に示された装置のように、負荷３１，３２，３３に接続可能である。
ＡＣ−ＡＣ変換器１は、図２および図３に詳細に示されている。ＡＣ−ＡＣ変換器１の場合、整流器１１を有する周波数変換器１であり、コンデンサＣＧおよびインバータ１２を有する直流中間回路である。
整流器１１は、給電網の外部導体Ｌ１と中性導体Ｎとに接続される。整流器の出力部にはコンデンサＣＧが接続され、該コンデンサＣＧは、直流電圧中間回路を形成する。直流電圧中間回路にはインバータ１２が接続される。
インバータ１２は、コンバータバルブからなるＨブリッジであり、特に、インバータの場合に何倍にも拡げられるようなＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１２１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ブリッジのハーフブリッジのコンバータバルブ１２１間のポイントは、インバータ１２の出力部の接続部を形成する。コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３は、三相交流変圧器２の一次側コイル２１１，２１２，２１３からなる三角接続のそれぞれの角の頂点Ｌ１’，Ｌ２，Ｌ３’と結合する。三相交流変圧器２とそれに接続された負荷３１，３２，３３の二次側スイッチは、図１に示されたスイッチとは異なる。
コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３によって、非対称負荷の場合に生じる、接続部Ｌ３’’と接続部Ｈ’’間の電圧はかなり低下される。
コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３によって、出力電流回路の一次側が結合するに至り、このことは接続部Ｌ３’’と接続部Ｈ’’との間の電圧の低下につながる。接続部Ｌ３’’，Ｈ’’における電圧は、非対称負荷の、図１を参照して記載された場合と比べて同程度となる。電圧は、減少割合としておよそ１００％まで電圧を減少させることが可能である。
発明に従った第２の給電装置のための図３に示したように、コンデンサＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３が、変圧器２の二次側コイル２２１，２２２，２２３と接続部Ｌ１’’，Ｌ２’’，Ｌ３’’，Ｈ’’との間の結合に用いられる場合であって、その他については図２に従った、第１の発明に従った給電装置に対応する場合、第１の給電装置ＭＦの出力部における非対称な負荷では、特に、非対称な抵抗／誘導負荷では、外部導体間の電圧をほぼ８０％程度は低下させることが可能である。これらの追加的コンデンサＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３は、たしかに出力部電圧の完全な対称化を妨げるけれども、第１の給電装置ＭＦを第２の給電装置ＶＳＣから切り離すことを可能にする。
１ ＡＣ−ＡＣ変換器
２ 三相交流変圧器
２１１，２１２，２１３ 一次側コイル
２２１，２２２，２２３ 二次側コイル
３，３１，３２，３３ シリコン棒
４ 単相交流変圧器
８，９ 制御部
１１ 整流器
１２ インバータ
５１，５２，５３ パワーレギュレータ
ＭＦ 第１の給電装置
ＶＳＣ 第２の給電装置
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，ＣＧ コンデンサ

Claims (7)

  1. Ｎ相交流電流を発生するためのインバータ（１２）、および少なくとも１つの、一次側コイル（２１１，２１２，２１３）と二次側コイル（２２１，２２２，２２３）とを有するＮ相交流電流変圧器（２）を備え、一次側コイル（２１１，２１２，２１３）は多角結線に構成され、変圧器（２）の空転時には、Ｎ個の二次側コイル（２２１，２２２，２２３）にかかる電圧のベクトルの合計が零になる、給電装置（ＭＦ）において、
    一次側コイル（２１１，２１２，２１３）によって形成された多角形の各角の頂点が、インバータの外部導体接続部と各コンデンサ（Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３）を介して結合され、
    Ｎ−１個の二次側コイル（２２１，２２２，２２３）の電圧を不連続にまたは連続して調整可能とし、
    コンデンサは、二次側コイル（２２１，２２２，２２３）に直列に設けられ、少なくともＮ−１個のコンデンサは調整可能な容量を有することを特徴とする、給電装置（ＭＦ）。
  2. 給電装置（ＭＦ）の出力部は、二次側コイル（２２１，２２２，２２３）に並列に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の給電装置（ＭＦ）。
  3. 給電装置（ＭＦ）の出力部は、二次側コイル（２２１，２２２，２２３）の夫々と各コンデンサ（Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３）とから成る直列回路に並列に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の給電装置（ＭＦ）。
  4. インバータ（１２）は、パワートランジスタ（１２１）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（ＭＦ）。
  5. 給電装置は周波数変換器（１１，１２，ＣＧ）を備え、インバータ（１２）は該周波数変換器（１１，１２，ＣＧ）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（ＭＦ）。
  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（ＭＦ）を備える、反応炉において、第１の給電装置（ＭＦ）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（ＶＳＣ）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、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１〜１００Ｈｚ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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