一種還原爐中頻加熱電源的實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種還原爐中頻加熱電源的實現(xiàn)方法，將整流單元分為三個獨立的單元，設6個逆變模塊，共輸出六相來對硅棒加熱。采用AC-DC-DC-AC的拓撲結構，控制系統(tǒng)主要控制DC-DC和DC-AC功率變換控制來完成硅棒電源的調功、調頻。DCS控制器采集硅棒電壓電流信號，通過數(shù)字處理方式得到輸出高頻電流的有效值，有效值和上位機給定的電流的偏差通過PID調節(jié)器調節(jié)后得到斬波電路的占空比，通過調節(jié)占空比來調節(jié)電源的調功輸出。高頻電源切換的初期頻率為1KHz，通過硅棒內外溫差來自動調節(jié)，逐步上升到10KHz，頻率的調節(jié)在系統(tǒng)后級DC-AC功率變換完成，上位機根據(jù)硅棒內外溫差作為輸出頻率的設定值來控制H橋IGBT的開關速度。該系統(tǒng)控制簡單可靠、精度高、響應速度快。
【專利說明】一種還原爐中頻加熱電源的實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及多晶硅還原爐生產加熱電源技術，即對傳統(tǒng)工頻電源加熱模式的一種改進方式，特別指一種還原爐中頻加熱電源的實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002]改良西門子法生產多晶硅的主要設備是多晶硅還原爐，通過控制還原爐內溫度使得三氯氫硅與氫氣發(fā)生沉積反應，生成多晶硅。作為還原爐的熱量來源，加熱電源的穩(wěn)定性、可靠性和可控性對多晶硅生產起著重要的作用。
[0003]通過加熱電源對還原爐內的娃棒通電導通并使自身加熱，當娃棒表面溫度達到1080 °C左右時，TCS氣體與氫氣在娃棒表面發(fā)生還原沉積反應，即:SiHCl3+H2=Si+HCl+SiC14+H2。從反應方程式可以看出，硅棒既是沉積反應生成的產品又是電加熱器。
[0004]在熱量傳遞方面，加熱電源不停地增加硅棒加熱器的電流，以保持硅棒加熱器表面的溫度不變。硅棒的表面熱量則通過傳導、輻射和化學氣相反應帶走。表面散失和消耗的熱能遠遠大于多晶娃內部的熱能，從而導致多晶娃棒內部的溫度遠高于多晶娃棒表面的溫度。試驗證明，當多晶硅棒直徑大于Φ 120mm時，硅棒表面和硅棒中心的溫差將達到250°C以上，使得還原生產產生熔芯和裂棒(多晶硅的熔化溫度為1420°C )，這大大制約了多晶硅的生產。
[0005]綜上所述，為了獲得更好質量的晶硅產品和降低更多的電耗，在還原爐加熱電源的設計和制造方面需要改進。中頻加熱電源就是一種改進方向。中頻加熱電源在金屬冶煉、淬火等方面有廣泛的應用，但是在多晶硅加熱方面，國內還沒有確定的方法和設備。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種還原爐中頻加熱電源的實現(xiàn)方法，這種方法的目的是提高多晶硅棒生產效率，降低生產電耗，提高硅棒表觀質量。根據(jù)硅棒電阻率與溫度的關系，以及集膚效應原理，在多晶硅生產后期引入中頻電熱電源高頻電源對還原爐內硅棒供電，利用中頻產生的集膚效應提高硅棒表面的溫度，降低硅棒內外溫差，直至還原爐內硅棒達到所需要的直徑后停止供電。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明由如下方案來實現(xiàn):1、將整流單元分為三個獨立的單元，以避免傳統(tǒng)使用均流電抗器而產生電抗器過熱不能長時間運行的問題。設6個逆變模塊，輸出六相Al，A2，BI, B2, Cl，C2，來對硅棒加熱。工作過程是:整個系統(tǒng)由DCS進行控制。DCS控制器采集硅棒電壓電流信號，調節(jié)后級H橋逆變器占空比對電流進行調節(jié)，頻率則通過內外硅棒溫差來進行自動調節(jié)，在高頻電源切換工作初期頻率為ΙΚΗζ，逐步上升到棒徑為Φ IOOmm時的IOKHz左右，保證逆變回路高效節(jié)能運行。2、控制方案，采用AC-DC-DC-AC拓撲結構的高頻交流電源控制系統(tǒng)非常簡單，由于AC-DC變換采用不控二極管整流，控制系統(tǒng)根本不用考慮該部分的功率變換控制。控制系統(tǒng)框圖如下圖所示，主要控制DC-DC功率變換和DC-AC功率變換。3、DC-DC功率變換控制完成硅棒電流的調節(jié)，即完成電源的調功，采集到電源輸出電流后，通過模擬或數(shù)字處理方式得到輸出高頻電流的有效值，該有效值和上位機給定的輸出電流信號的差值通過PID調節(jié)器調節(jié)后得到斬波電路的占空比，通過調節(jié)占空比來調節(jié)電源的調功輸出。4、后級DC-AC功率變換完成頻率的調節(jié)，根據(jù)上位機系統(tǒng)給定的輸出頻率信號來控制H橋IGBT的開關速度即可。通過硅棒內外溫差為設定值，控制電源的輸出頻率是本發(fā)明的一大亮點。其中硅棒外部溫度由紅外測溫儀測得，硅棒中心溫度由虛擬測量軟件測得。
[0008]本發(fā)明的工作原理和優(yōu)點:
[0009]1、采用等效18脈波不控整流，簡單可靠，網(wǎng)側功率因數(shù)高，諧波含量低。
[0010]2、采用斬波電路來實現(xiàn)電源的調功輸出，控制簡單可靠、精度高、響應速度快。
[0011]3、采用H橋逆變實現(xiàn)電源的調頻輸出，且實現(xiàn)溫度差閉環(huán)控制，簡單易行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的主電路拓撲圖(A相)。
[0013]圖2是本發(fā)明的控制系統(tǒng)圖。
[0014]圖3是本發(fā)明的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0015]圖4是本發(fā)明的頻率閉環(huán)控制系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，將整流單元分為三個獨立的單元，以避免傳統(tǒng)使用均流電抗器而產生電抗器過熱不能長時間運行的問題。設6個逆變模塊，輸出六相Al，A2，BI, B2, Cl，C2，來對硅棒加熱。工作過程是:整個系統(tǒng)由DCS進行控制。DCS控制器采集硅棒電壓電流信號，調節(jié)后級H橋逆變器占空比對電流進行調節(jié)，頻率則通過內外硅棒溫差來進行自動調節(jié)，在高頻電源切換工作初期頻率為ΙΚΗζ，逐步上升到棒徑為ΦΙΟΟπιπι時的IOKHz左右，保證逆變回路高效節(jié)能運行。
[0017]圖1為單組主回路，整個電源系統(tǒng)由三組上述相同電路組成。
[0018]其中:L1C1組成輸入LC濾波電路；K1為隔離開關；FU1為輸入保護熔斷器；SCR整流器為晶閘管整流電路；DC+DC-為直流母線；FU2FU3為直流母線保護熔斷器；逆變模塊為IGBT逆變電路。
[0019]如圖2所示，采用AC-DC-DC-AC拓撲結構的高頻交流電源控制系統(tǒng)非常簡單，由于AC-DC變換采用不控二極管整流，控制系統(tǒng)根本不用考慮該部分的功率變換控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如下圖所示，主要控制DC-DC功率變換和DC-AC功率變換。
[0020]如圖3所示，DC-DC功率變換控制完成硅棒電流的調節(jié)，即完成電源的調功，采集到電源輸出電流后，通過模擬或數(shù)字處理方式得到輸出高頻電流的有效值，該有效值和上位機給定的輸出電流信號的差值通過PID調節(jié)器調節(jié)后得到斬波電路的占空比，通過調節(jié)占空比來調節(jié)電源的調功輸出；
[0021]如圖4所示，后級DC-AC功率變換完成頻率的調節(jié)，根據(jù)上位機系統(tǒng)給定的輸出頻率信號來控制H橋IGBT的開關速度即可。通過硅棒內外溫差為設定值，控制電源的輸出頻率是本發(fā)明的一大亮點。其中硅棒外部溫度由紅外測溫儀測得，硅棒中心溫度由虛擬測量軟件測得。
【權利要求】
1.一種還原爐中頻加熱電源的實現(xiàn)方法，其特征是: (1)、將整流單元分為三個獨立的單元，以避免傳統(tǒng)使用均流電抗器而產生電抗器過熱不能長時間運行的問題，設6個逆變模塊，輸出六相Al，A2，BI, B2, Cl，C2，來對硅棒加熱，工作過程是:整個系統(tǒng)由DCS進行控制。DCS控制器采集硅棒電壓電流信號，調節(jié)后級H橋逆變器占空比對電流進行調節(jié)，頻率則通過內外硅棒溫差來進行自動調節(jié)，在高頻電源切換工作初期頻率為ΙΚΗζ，逐步上升到棒徑為Φ IOOmm時的IOKHz左右，保證逆變回路高效節(jié)能運行； (2)、控制方案，采用AC-DC-DC-AC拓撲結構的高頻交流電源控制系統(tǒng)非常簡單，由于AC-DC變換采用不控二極管整流，控制系統(tǒng)根本不用考慮該部分的功率變換控制，控制系統(tǒng)主要控制DC-DC功率變換和DC-AC功率變換； (3)、DC-DC功率變換控制完成硅棒電流的調節(jié)，即完成電源的調功，采集到電源輸出電流后，通過模擬或數(shù)字處理方式得到輸出高頻電流的有效值，該有效值和上位機給定的輸出電流信號的差值通過PID調節(jié)器調節(jié)后得到斬波電路的占空比，通過調節(jié)占空比來調節(jié)電源的調功輸出； (4)、后級DC-AC功率變換完成頻率的調節(jié)，根據(jù)上位機系統(tǒng)給定的輸出頻率信號來控制H橋IGBT的開關速度即可，通過硅棒內外溫差為設定值，控制電源的輸出頻率，其中硅棒外部溫度由紅外測溫儀測得，硅棒中心溫度由虛擬測量軟件測得。
【文檔編號】H02M5/458GK103647460SQ201310703737
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2013年12月20日
【發(fā)明者】劉淑萍, 李東升, 陳 峰, 賀天明, 柳昭逢, 曹文江, 澹敬濤, 薛國強 申請人:內蒙古神舟硅業(yè)有限責任公司