全數(shù)字化多晶硅還原電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

精品文檔-下載后可編輯全數(shù)字化多晶硅還原電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文針對(duì)行業(yè)普遍使用的改良西門(mén)子生產(chǎn)方法，設(shè)計(jì)出一套多晶硅還原電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多晶硅還原電源控制器、光電轉(zhuǎn)換裝置和觸摸屏人機(jī)界面，該系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝流程利用PID閉環(huán)控制算法和電壓疊層原理控制電流在目標(biāo)值?？刂破鞑杉妷?、電流和啟?？刂菩盘?hào)，接收DCS或人機(jī)界面給定的目標(biāo)電流，通過(guò)PID算法計(jì)算出晶閘管導(dǎo)通角，并以光信號(hào)的形式發(fā)出；光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電裝換裝置轉(zhuǎn)成電信號(hào)去觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)控制電流的目的?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)性能可靠，電源利用率高。

【關(guān)鍵詞】還原爐電源控制器疊層控制光電轉(zhuǎn)換

1引言

由于長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)外對(duì)中國(guó)在多晶硅生產(chǎn)技術(shù)方面的封鎖，我國(guó)在相關(guān)技術(shù)裝備制造、工藝技術(shù)突破及相關(guān)配套設(shè)備上存在著規(guī)模小、水平低、能耗大及可靠性差等缺點(diǎn)，這使得我國(guó)多晶硅生產(chǎn)線(xiàn)絕大部分均需要采購(gòu)國(guó)外設(shè)備，設(shè)備采購(gòu)以及設(shè)備維護(hù)的價(jià)格都非常昂貴，并且無(wú)法做到及時(shí)服務(wù)，影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。多晶硅還原爐加熱控制系統(tǒng)是多晶硅生產(chǎn)的核心控制系統(tǒng)，關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)成本。基于上述原因，本文介紹一種新型的多晶硅電源控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，以低成本、高可靠性、實(shí)用性為設(shè)計(jì)原則，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套全數(shù)字化多晶硅還原電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功在多晶硅多個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安全可靠運(yùn)行，實(shí)踐證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、故障率低、能源利用率高、電源諧波少、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和維護(hù)成本。

2多晶硅控制系統(tǒng)介紹

2.1多晶硅生產(chǎn)流程

目前我國(guó)大部分廠(chǎng)家采用的多晶硅生產(chǎn)工藝是改良西門(mén)子法，其原理就是在1080℃左右的高純硅芯上用高純氫氣還原高純?nèi)葰涔?，生成的多晶硅沉積在硅芯上。但在未投入加熱電源時(shí)，高純的硅芯電阻率很高，需要經(jīng)過(guò)特殊方式加熱或者使用高壓電將其擊穿隨著硅芯溫度的升高，硅芯阻值逐漸降低，降到合適的范圍后，由常規(guī)低壓電源為其提供持續(xù)的熱量，使其保持在1080℃左右進(jìn)行還原反應(yīng)，生成多晶硅。還原爐電源系統(tǒng)就是在完成高壓擊穿后為其還原反應(yīng)提供穩(wěn)定可調(diào)電源的作用。

2.2還原電源系統(tǒng)特點(diǎn)

還原爐是整個(gè)還原系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)載為串聯(lián)的硅棒，在整個(gè)還原過(guò)程中，系統(tǒng)有以下特征：

（1）硅棒直徑由細(xì)變粗，電阻值由幾十歐變?yōu)閹资翚W；由于電阻變化范圍大，要求控制系統(tǒng)電壓、電流變化范圍寬，在采用晶閘管調(diào)壓時(shí)，存在諧波電流大和功率因數(shù)低等問(wèn)題。

（2）硅棒表面溫度要維持1080℃，加熱功率達(dá)100kW～2000kW，設(shè)備功率大，電能消耗成了多晶硅生產(chǎn)的主要成本之一，為了降低成本，節(jié)能降耗需提高電源轉(zhuǎn)換效率。

（3）硅棒還原過(guò)程周期長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間達(dá)10天左右，對(duì)還原系統(tǒng)要求可靠性高，故障率低。

2.3還原電源控制方式

本文設(shè)計(jì)的多晶硅電源控制器就采用五檔電壓的疊層控制方式。疊層控制方式還原爐電源控制使用比較多的一種方式，這種方式主要采用了電壓疊層控制技術(shù)，這種還原電源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電流波形由一組晶閘管全導(dǎo)通和一組晶閘管移相波形組成（當(dāng)晶閘管在移相到0°和180°切換時(shí)僅一組晶閘管導(dǎo)通）。疊層控制還原電源系統(tǒng)。這種控制方式由控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)晶閘管的移相與切換，切換過(guò)程平滑、無(wú)沖擊，在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，負(fù)載電壓處于疊加狀態(tài)，系統(tǒng)諧波小，功率因數(shù)高；而且變壓器抽頭少，轉(zhuǎn)換效率高。疊層控制對(duì)控制精確要求高，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生環(huán)流造成檔間短路危害變壓器。

3多晶硅還原電源控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1還原電源系統(tǒng)整體方案

還原爐電源控制系統(tǒng)示意，如圖1所示。還原爐控制系統(tǒng)由全數(shù)字化多晶硅電源控制器、光電轉(zhuǎn)換裝置和觸摸屏人機(jī)界面組成。

整個(gè)控制流程如下：DCS根據(jù)生產(chǎn)工藝流程將目標(biāo)電流值傳給PLC邏輯控制器，PLC邏輯控制器再通過(guò)Profibus通訊模塊將目標(biāo)電流值傳送至多晶硅電源控制器，多晶硅電源控制器根據(jù)反饋電流與目標(biāo)電流之間的差值通過(guò)PID閉環(huán)控制算法計(jì)算出需要觸發(fā)檔位及其觸發(fā)角度，然后將觸發(fā)脈沖以光信號(hào)的形式傳輸至光電轉(zhuǎn)換裝置。光電轉(zhuǎn)換裝置負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，用電信號(hào)去控制晶閘管的導(dǎo)通角從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際電流與目標(biāo)電流保持一致。觸摸屏人機(jī)界面與多晶硅電源控制器通過(guò)RS485接口連接，基于Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。

3.2多晶硅電源控制器方案

多晶硅電源控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)電壓、電流采集，還原爐啟停信號(hào)采集，故障告警信號(hào)輸出，電流閉環(huán)PID控制算法實(shí)現(xiàn)，電壓疊層原理控制算法實(shí)現(xiàn)，晶閘管觸發(fā)檔位計(jì)算以及觸發(fā)光信號(hào)的輸出，同時(shí)要與PLC通過(guò)Profibus通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，與觸摸屏人機(jī)界面進(jìn)行Modbus通訊等。多晶硅電源控制器采用高性能32位ARM微處理器和16位AD采樣芯片為高速、準(zhǔn)確的運(yùn)算提供有力的保障；同時(shí)使用高度集成的FPGA芯片保證控制信號(hào)的精確性、及時(shí)性和穩(wěn)定性。電源控制器整體采用插件模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)插件負(fù)責(zé)特定的功能，并通過(guò)連接插件的母線(xiàn)板進(jìn)行插件間的信息交互。多晶硅電源控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3光電裝換裝置方案

光電轉(zhuǎn)換裝置主要實(shí)現(xiàn)將一對(duì)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，外部給裝置加24V（交流或直流）工作電源，多晶硅電源控制器輸出的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸出去控制晶閘管導(dǎo)通。

3.4觸摸屏人機(jī)界面方案

觸摸屏人機(jī)界面通過(guò)RS485接口可同時(shí)連接多臺(tái)還原爐電源控制器裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)控制器狀態(tài)的監(jiān)控和參數(shù)的管理，人機(jī)界面如圖3所示。觸摸屏與控制器之間使用工業(yè)上普遍使用的Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，觸摸屏為上位機(jī)，控制器為下位機(jī)。

4多晶硅還原電源控制系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，插件功能分配合理，相同功能的插件具有互換性，方便備件準(zhǔn)備和運(yùn)行維護(hù)。

（2）控制系統(tǒng)通訊采用基于MODBUS協(xié)議的RS485網(wǎng)絡(luò)通訊、通訊實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

（3）控制器采用電流閉環(huán)PID控制，控制精度高，實(shí)時(shí)性好；電源控制采用五檔電壓疊層控制，電壓調(diào)節(jié)平滑，諧波含量低，功率

（4）控制脈沖使用光纖傳輸，抗干擾性能強(qiáng)，可靠性高。

（5）觸摸屏人機(jī)界面采用圖形化設(shè)計(jì)，界面友好直觀(guān)，方便各種數(shù)據(jù)的查看和控制操作。

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的多晶硅還原電源控制系統(tǒng)采用電壓疊層控制方法實(shí)現(xiàn)電源控制，電源利用率高、諧波低、控制平滑、節(jié)能降耗?？刂泼}沖使用光纖傳輸大大提高抗干擾性能和控制精度，減少柜