多晶硅还原炉电气系统研制及其实际应用

一．综述多晶硅还原炉电气系统之主要设备是大功率调压器[阳光电子学校维修专家友情提示]。调压器所带负载是多晶硅棒串联而成之纯电阻负载[阳光电子学校维修专家友情提示]。调压器之作用实际上是对负载电阻进行电加热，并且保持硅棒表面温度恒定（一般1080℃）[阳光电子学校维修专家友情提示]。硅棒串联而成 ...

一．综述

多晶硅还原炉电气系统之主要设备是大功率调压器[阳光电子学校维修专家友情提示]。调压器所带负载是多晶硅棒串联而成之纯电阻负载[阳光电子学校维修专家友情提示]。调压器之作用实际上是对负载电阻进行电加热，并且保持硅棒表面温度恒定（一般1080℃）[阳光电子学校维修专家友情提示]。硅棒串联而成之电阻是一个变化之电阻：第一，硅棒温度从常温上升到1000℃，Φ8直径硅芯电阻从几百kΩ下降到几十Ω；第二，保持硅棒表面温度1080℃，硅棒直径从Φ8增加到Φ150，硅棒电阻从几十Ω下降到几十mΩ[阳光电子学校维修专家友情提示]。可见硅棒电阻大范围变动引起调压器输出电压和电流之调节范围大是这种调压器之设计特点[阳光电子学校维修专家友情提示]。按照实际工作之性质，调压器分为硅棒温度从常温加热到1000℃之预热调压器和硅棒直径从Φ8增加到 终直径并且始终保持硅棒表面温度1080℃之还原调压器[阳光电子学校维修专家友情提示]。

预热调压器工作过程中硅棒温度从常温加热到1000℃，其主要困难是硅棒初始电阻R太大，加热功率正比于V2/R，电阻大必然要求供电电压高（甚至需十几kV），一般应尽湖南阳光电子学校维修专家认为：也许降低电阻R[阳光电子学校维修专家友情提示]。常用方法有提高炉壁冷却液之温度，加粗硅芯直径，对硅芯参杂，炉内注入高温等离子体或放置卤钨灯等等[阳光电子学校维修专家友情提示]。预热调压器工作时间十几分钟，功率30－200kVA[阳光电子学校维修专家友情提示]。

还原调压器输出功率用于加热硅棒，硅棒再通过辐射、传导和对流方式将功率传递给还原炉内之反应气体和炉壁之冷却液[阳光电子学校维修专家友情提示]。随硅棒直径增长，反应气体流量加大，炉内之反应气体和炉壁之冷却液带走之热量增加，调压器输出功率越来越大[阳光电子学校维修专家友情提示]。工艺对还原炉提出之技术要求如图一所示[阳光电子学校维修专家友情提示]。还原调压器设计必须满足工艺上随直径Φ变化，电压V、电流I和功率P之供电要求[阳光电子学校维修专家友情提示]。同时，重点考虑高电压之电气结构问题、大电流之电气结构问题、负载电阻变化引起之调节器参数设计问题、调压范围大引起之功率因数低和谐波问题、结构上之环流问题、硅棒碰壁、裂棒检测及断电再上电等辅助功能问题[阳光电子学校维修专家友情提示]。

多晶硅还原炉电气系统除了调压器以外还有一套计算机管理、操作系统[阳光电子学校维修专家友情提示]。它之主要功能是：

1． 对管辖之所有还原炉电气设备（调压器、变压器、开关柜）进行数字通信[阳光电子学校维修专家友情提示]。

2． 对管辖之所有还原炉电气设备之电气数据进行画面显示和曲线记录，并且对所有还原炉电气设备之故障进行画面提示和记录[阳光电子学校维修专家友情提示]。

3． 对管辖之所有还原炉电气设备进行画面操作[阳光电子学校维修专家友情提示]。

该系统采用双冗余计算机和光纤通信，可靠性高、抗干扰能力强[阳光电子学校维修专家友情提示]。

目前，国际上对中国实行还原炉电气系统之技术封锁，同类进口产品只是国际九十年代初之水平[阳光电子学校维修专家友情提示]。要想设计出适应我国还原炉内硅棒不断增多、直径不断长粗、气体压力不断增高之还原炉电气系统，仍然需要依靠中国电气同行之共同努力[阳光电子学校维修专家友情提示]。

二． 预热调压器之设计

目前比较流行之预热方式是直接采用高压调压电源进行预热，而不是用高温等离子体或放置卤钨灯等方式[阳光电子学校维修专家友情提示]。因为在掌握了电极绝缘技术之情况下，高压调压电源进行预热，工艺优势比较大[阳光电子学校维修专家友情提示]。

预热调压器方案1如图二所示，380V交流电压经过交流调压器调压后连接到升压变压器原边[阳光电子学校维修专家友情提示]。变压器副边1档额定输出V1（例如12kV）、2档额定输出V2（例如6kV）、3档额定输出V3（例如3kV）[阳光电子学校维修专家友情提示]。K1真空接触器吸合，调压输出范围V1－V2；K2真空接触器吸合，调压输出范围V2－V3；K3真空接触器吸合，调压输出范围V3－1000℃硅棒电压[阳光电子学校维修专家友情提示]。方案1之缺点是真空接触器体积较大，维护多、切换时间较长[阳光电子学校维修专家友情提示]。优点是不考虑环流问题[阳光电子学校维修专家友情提示]。

预热调压器方案2如图三所示，380V交流电压经过交流调压器Q1调压后连接到升压变压器原边1档，变压器副边额定输出电压V1（例如12kV），调压输出范围V1－V2[阳光电子学校维修专家友情提示]。380V交流电压经过交流调压器Q2调压后连接到升压变压器原边2档，变压器副边额定输出电压V2（例如6kV），调压输出范围V2－V3[阳光电子学校维修专家友情提示]。380V交流电压经过交流调压器Q3调压后连接到升压变压器原边3档，变压器副边额定输出电压V3（例如3kV），调压输出范围V3－1000℃硅棒电压[阳光电子学校维修专家友情提示]。方案2不是真空接触器换档而是可控硅换档，无换档时间[阳光电子学校维修专家友情提示]。但是图三中存在不同档之两个可控硅开通形成变压器原边两个抽头短路之环流湖南阳光电子学校维修专家认为：也许性[阳光电子学校维修专家友情提示]。因此，方案2之核心技术是确保任何一档可控硅工作时，其他档可控硅处于脉冲封锁状态，绝不会产生环流[阳光电子学校维修专家友情提示]。实际上环流是两个原因造成之：一是应该关断之可控硅在干扰情况下误触发导通；二是应该关断之可控硅承受很大之dv/dt而导通[阳光电子学校维修专家友情提示]。因此，主回路应该通过阻容吸收电路抑制可控硅两端之电压尖峰和dv/dt，控制回路应该采取抗干扰措施[阳光电子学校维修专家友情提示]。

根据经验，预热调压器 高输出电压：硅棒长度×700V/米（炉壁冷却液温度240℃）；硅棒长度×1500V/米（炉壁冷却液温度130℃）[阳光电子学校维修专家友情提示]。当预热调压器 高输出电压超过炉底电极绝缘电压时，可以采用如图四所示之短对方案，也可以采用如图五之多电源方案[阳光电子学校维修专家友情提示]。硅棒到1000℃[阳光电子学校维修专家友情提示]。两个预热调压电源相位互差120°，三根预热母线中任意两根线之电压不超过预热调压器 高输出电压[阳光电子学校维修专家友情提示]。

为了简化设备，一般选用1套预热调压器对N台炉进行预加热[阳光电子学校维修专家友情提示]。9对棒还原炉预加热系统原理如图六所示，K1真空断路器断开，防止高压加入A相还原调压器[阳光电子学校维修专家友情提示]。K2吸合，对1#炉A相3对棒预热[阳光电子学校维修专家友情提示]。预热结束，K2断开，K1吸合，A相3对棒开始由A相还原调压器供电[阳光电子学校维修专家友情提示]。同样，K3真空断路器断开，防止高压加入B相还原调压器[阳光电子学校维修专家友情提示]。K4吸合，对1#炉B相3对棒预热[阳光电子学校维修专家友情提示]。预热结束，K4断开，K2吸合，B相3对棒开始由B相还原调压器供电[阳光电子学校维修专家友情提示]。以次类推，每次预热3对棒，每炉预热3次[阳光电子学校维修专家友情提示]。可以对任何一个炉进行硅芯调压预热[阳光电子学校维修专家友情提示]。所有真空接触器和真空断路器之逻辑控制由PLC操作[阳光电子学校维修专家友情提示]。

三． 还原调压器设计

多晶硅50Hz交流之集肤深度大约26mm，直径较粗时，直流导电面积是圆之面积，50Hz交流之导电面积是圆环之面积[阳光电子学校维修专家友情提示]。还原调压器可以采用直流调压方式[阳光电子学校维修专家友情提示]。但是，在工艺上，由于硅棒中心导电，中心温度要高于硅棒表面温度，硅棒机械强度变差甚至出现溶心现象[阳光电子学校维修专家友情提示]。在供电上，直流硅棒电阻小，对同样功率属于低压大电流供电方式，所以一般采用交流调压方式[阳光电子学校维修专家友情提示]。

由工艺决定之硅棒调压范围大约10：1，为了提高功率因数，降低谐波，通常采用副边多抽头之还原变压器，即调压器调压与抽头切换相结合之交流调压方式[阳光电子学校维修专家友情提示]。

图七所示是用真空断路器进行抽头切换，可控硅交流调压器在相邻两抽头间进行小范围调压[阳光电子学校维修专家友情提示]。缺点是硅棒电流较大时，真空断路器价格高体积大[阳光电子学校维修专家友情提示]。另外断路器切换时间和维护都不如可控硅电子开关[阳光电子学校维修专家友情提示]。

图八所示是无断路器结构，4个可控硅调压器任何时候仅有1个可控硅调压器在工作[阳光电子学校维修专家友情提示]。变压器原边绕组之电压、电流波形如图九所示，电流波形由0线和正弦波组成[阳光电子学校维修专家友情提示]。显

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