多晶硅還原爐電氣系統研制及其實際應用

一．綜述多晶硅還原爐電氣系統之主要設備是大功率調壓器[陽光電子學校維修專家友情提示]。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成之純電阻負載[陽光電子學校維修專家友情提示]。調壓器之作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）[陽光電子學校維修專家友情提示]。硅棒串聯而成 ...

一．綜述

多晶硅還原爐電氣系統之主要設備是大功率調壓器[陽光電子學校維修專家友情提示]。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成之純電阻負載[陽光電子學校維修專家友情提示]。調壓器之作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）[陽光電子學校維修專家友情提示]。硅棒串聯而成之電阻是一個變化之電阻：第一，硅棒溫度從常溫上升到1000℃，Φ8直徑硅芯電阻從幾百kΩ下降到幾十Ω；第二，保持硅棒表面溫度1080℃，硅棒直徑從Φ8增加到Φ150，硅棒電阻從幾十Ω下降到幾十mΩ[陽光電子學校維修專家友情提示]。可見硅棒電阻大范圍變動引起調壓器輸出電壓和電流之調節范圍大是這種調壓器之設計特點[陽光電子學校維修專家友情提示]。按照實際工作之性質，調壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃之預熱調壓器和硅棒直徑從Φ8增加到 終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃之還原調壓器[陽光電子學校維修專家友情提示]。

預熱調壓器工作過程中硅棒溫度從常溫加熱到1000℃，其主要困難是硅棒初始電阻R太大，加熱功率正比于V2/R，電阻大必然要求供電電壓高（甚至需十幾kV），一般應盡湖南陽光電子學校維修專家認為：也許降低電阻R[陽光電子學校維修專家友情提示]。常用方法有提高爐壁冷卻液之溫度，加粗硅芯直徑，對硅芯參雜，爐內注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等[陽光電子學校維修專家友情提示]。預熱調壓器工作時間十幾分鐘，功率30－200kVA[陽光電子學校維修專家友情提示]。

還原調壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導和對流方式將功率傳遞給還原爐內之反應氣體和爐壁之冷卻液[陽光電子學校維修專家友情提示]。隨硅棒直徑增長，反應氣體流量加大，爐內之反應氣體和爐壁之冷卻液帶走之熱量增加，調壓器輸出功率越來越大[陽光電子學校維修專家友情提示]。工藝對還原爐提出之技術要求如圖一所示[陽光電子學校維修專家友情提示]。還原調壓器設計必須滿足工藝上隨直徑Φ變化，電壓V、電流I和功率P之供電要求[陽光電子學校維修專家友情提示]。同時，重點考慮高電壓之電氣結構問題、大電流之電氣結構問題、負載電阻變化引起之調節器參數設計問題、調壓范圍大引起之功率因數低和諧波問題、結構上之環流問題、硅棒碰壁、裂棒檢測及斷電再上電等輔助功能問題[陽光電子學校維修專家友情提示]。

多晶硅還原爐電氣系統除了調壓器以外還有一套計算機管理、操作系統[陽光電子學校維修專家友情提示]。它之主要功能是：

1． 對管轄之所有還原爐電氣設備（調壓器、變壓器、開關柜）進行數字通信[陽光電子學校維修專家友情提示]。

2． 對管轄之所有還原爐電氣設備之電氣數據進行畫面顯示和曲線記錄，并且對所有還原爐電氣設備之故障進行畫面提示和記錄[陽光電子學校維修專家友情提示]。

3． 對管轄之所有還原爐電氣設備進行畫面操作[陽光電子學校維修專家友情提示]。

該系統采用雙冗余計算機和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強[陽光電子學校維修專家友情提示]。

目前，國際上對中國實行還原爐電氣系統之技術封鎖，同類進口產品只是國際九十年代初之水平[陽光電子學校維修專家友情提示]。要想設計出適應我國還原爐內硅棒不斷增多、直徑不斷長粗、氣體壓力不斷增高之還原爐電氣系統，仍然需要依靠中國電氣同行之共同努力[陽光電子學校維修專家友情提示]。

二． 預熱調壓器之設計

目前比較流行之預熱方式是直接采用高壓調壓電源進行預熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式[陽光電子學校維修專家友情提示]。因為在掌握了電極絕緣技術之情況下，高壓調壓電源進行預熱，工藝優勢比較大[陽光電子學校維修專家友情提示]。

預熱調壓器方案1如圖二所示，380V交流電壓經過交流調壓器調壓后連接到升壓變壓器原邊[陽光電子學校維修專家友情提示]。變壓器副邊1檔額定輸出V1（例如12kV）、2檔額定輸出V2（例如6kV）、3檔額定輸出V3（例如3kV）[陽光電子學校維修專家友情提示]。K1真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V1－V2；K2真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V2－V3；K3真空接觸器吸合，調壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓[陽光電子學校維修專家友情提示]。方案1之缺點是真空接觸器體積較大，維護多、切換時間較長[陽光電子學校維修專家友情提示]。優點是不考慮環流問題[陽光電子學校維修專家友情提示]。

預熱調壓器方案2如圖三所示，380V交流電壓經過交流調壓器Q1調壓后連接到升壓變壓器原邊1檔，變壓器副邊額定輸出電壓V1（例如12kV），調壓輸出范圍V1－V2[陽光電子學校維修專家友情提示]。380V交流電壓經過交流調壓器Q2調壓后連接到升壓變壓器原邊2檔，變壓器副邊額定輸出電壓V2（例如6kV），調壓輸出范圍V2－V3[陽光電子學校維修專家友情提示]。380V交流電壓經過交流調壓器Q3調壓后連接到升壓變壓器原邊3檔，變壓器副邊額定輸出電壓V3（例如3kV），調壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓[陽光電子學校維修專家友情提示]。方案2不是真空接觸器換檔而是可控硅換檔，無換檔時間[陽光電子學校維修專家友情提示]。但是圖三中存在不同檔之兩個可控硅開通形成變壓器原邊兩個抽頭短路之環流湖南陽光電子學校維修專家認為：也許性[陽光電子學校維修專家友情提示]。因此，方案2之核心技術是確保任何一檔可控硅工作時，其他檔可控硅處于脈沖封鎖狀態，絕不會產生環流[陽光電子學校維修專家友情提示]。實際上環流是兩個原因造成之：一是應該關斷之可控硅在干擾情況下誤觸發導通；二是應該關斷之可控硅承受很大之dv/dt而導通[陽光電子學校維修專家友情提示]。因此，主回路應該通過阻容吸收電路抑制可控硅兩端之電壓尖峰和dv/dt，控制回路應該采取抗干擾措施[陽光電子學校維修專家友情提示]。

根據經驗，預熱調壓器 高輸出電壓：硅棒長度×700V/米（爐壁冷卻液溫度240℃）；硅棒長度×1500V/米（爐壁冷卻液溫度130℃）[陽光電子學校維修專家友情提示]。當預熱調壓器 高輸出電壓超過爐底電極絕緣電壓時，可以采用如圖四所示之短對方案，也可以采用如圖五之多電源方案[陽光電子學校維修專家友情提示]。硅棒到1000℃[陽光電子學校維修專家友情提示]。兩個預熱調壓電源相位互差120°，三根預熱母線中任意兩根線之電壓不超過預熱調壓器 高輸出電壓[陽光電子學校維修專家友情提示]。

為了簡化設備，一般選用1套預熱調壓器對N臺爐進行預加熱[陽光電子學校維修專家友情提示]。9對棒還原爐預加熱系統原理如圖六所示，K1真空斷路器斷開，防止高壓加入A相還原調壓器[陽光電子學校維修專家友情提示]。K2吸合，對1#爐A相3對棒預熱[陽光電子學校維修專家友情提示]。預熱結束，K2斷開，K1吸合，A相3對棒開始由A相還原調壓器供電[陽光電子學校維修專家友情提示]。同樣，K3真空斷路器斷開，防止高壓加入B相還原調壓器[陽光電子學校維修專家友情提示]。K4吸合，對1#爐B相3對棒預熱[陽光電子學校維修專家友情提示]。預熱結束，K4斷開，K2吸合，B相3對棒開始由B相還原調壓器供電[陽光電子學校維修專家友情提示]。以次類推，每次預熱3對棒，每爐預熱3次[陽光電子學校維修專家友情提示]�？梢詫θ魏我粋�爐進行硅芯調壓預熱[陽光電子學校維修專家友情提示]。所有真空接觸器和真空斷路器之邏輯控制由PLC操作[陽光電子學校維修專家友情提示]。

三． 還原調壓器設計

多晶硅50Hz交流之集膚深度大約26mm，直徑較粗時，直流導電面積是圓之面積，50Hz交流之導電面積是圓環之面積[陽光電子學校維修專家友情提示]。還原調壓器可以采用直流調壓方式[陽光電子學校維修專家友情提示]。但是，在工藝上，由于硅棒中心導電，中心溫度要高于硅棒表面溫度，硅棒機械強度變差甚至出現溶心現象[陽光電子學校維修專家友情提示]。在供電上，直流硅棒電阻小，對同樣功率屬于低壓大電流供電方式，所以一般采用交流調壓方式[陽光電子學校維修專家友情提示]。

由工藝決定之硅棒調壓范圍大約10：1，為了提高功率因數，降低諧波，通常采用副邊多抽頭之還原變壓器，即調壓器調壓與抽頭切換相結合之交流調壓方式[陽光電子學校維修專家友情提示]。

圖七所示是用真空斷路器進行抽頭切換，可控硅交流調壓器在相鄰兩抽頭間進行小范圍調壓[陽光電子學校維修專家友情提示]。缺點是硅棒電流較大時，真空斷路器價格高體積大[陽光電子學校維修專家友情提示]。另外斷路器切換時間和維護都不如可控硅電子開關[陽光電子學校維修專家友情提示]。

圖八所示是無斷路器結構，4個可控硅調壓器任何時候僅有1個可控硅調壓器在工作[陽光電子學校維修專家友情提示]。變壓器原邊繞組之電壓、電流波形如圖九所示，電流波形由0線和正弦波組成[陽光電子學校維修專家友情提示]。顯

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