高阻晶體硅電池?cái)U(kuò)散爐溫度控制的研究

毛朝斌，陳特超，李 克，林伯奇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所國(guó)家光伏裝備工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙410111)

隨著晶體硅電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電池片生產(chǎn)廠家為了提高電池片的轉(zhuǎn)換效率，對(duì)電池生產(chǎn)設(shè)備的要求也不斷提高。擴(kuò)散設(shè)備作為生產(chǎn)光伏電池的主要設(shè)備，其性能和生產(chǎn)效率尤其受到廣大光伏電池生產(chǎn)廠家的關(guān)注，電池生產(chǎn)廠家要求提高的方塊電阻，提高電池?cái)U(kuò)散后片內(nèi)方塊電阻和片間方塊電阻的均勻性等方面以提高電池的效率及使用壽命。以前采用的是單回路控制爐管加熱,通過控制爐壁的溫度來達(dá)到控制爐膛內(nèi)的工藝溫度，這種方式簡(jiǎn)單、容易操作，但這種方式工藝回溫時(shí)間長(zhǎng)，爐內(nèi)溫度不精確，抗干擾能力不強(qiáng)，已經(jīng)不能滿足客戶對(duì)高阻擴(kuò)散工藝的要求[1][2]。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研制了一種溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的新型擴(kuò)散爐。這種溫度串級(jí)控制方式能很好地彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，達(dá)到比較理想的控制效果，在性能方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平，并已經(jīng)出口到阿聯(lián)酋等國(guó)家的光伏電池生產(chǎn)廠家，客戶反映效果良好。

2 溫度控制系統(tǒng)

2.1 串級(jí)控制原理

串級(jí)控制系統(tǒng)一般由主、副兩個(gè)回路構(gòu)成，被控量的反饋形成主回路，另外一個(gè)對(duì)被控量起主要影響的變量選做輔助變量形成副回路。串級(jí)控制與單回路的區(qū)別在于副回路的給定值不是常量，而是變量，它的變化情況由被控量通過主調(diào)節(jié)回路自動(dòng)校正。

擴(kuò)散爐設(shè)備采用電阻爐加熱，以五段溫區(qū)的擴(kuò)散爐為例，其溫度串級(jí)控制系統(tǒng)見圖1，圖中僅畫出了一段溫區(qū)的串級(jí)控制系統(tǒng)，其他4個(gè)溫區(qū)控制方式相同。從圖中可以看出爐壁處的外熱偶（a、b、c、d、e）、PID2、觸發(fā)電路以及功率部件組成副回路，用來控制爐絲加熱電流的大小，而置于爐膛內(nèi)的內(nèi)熱偶(A、B、C、D、E)將測(cè)得的溫度與設(shè)定值比較后，與PID1、PID2、觸發(fā)電路以及功率部件一起組成主回路，監(jiān)控爐膛內(nèi)恒溫區(qū)的溫度變化。

圖1 溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

將圖1控制系統(tǒng)原理圖畫成系統(tǒng)方框圖，見圖2。再根據(jù)方框圖2，做出傳遞函數(shù)方框圖見圖3。

圖2 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖

圖3 傳遞函數(shù)方框圖

其中：

R1(s)—設(shè)定溫度的傳遞函數(shù)；

R2(s)—主調(diào)節(jié)器輸出值的傳遞函數(shù)；

GC1(s)、GC2(s)—主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；

Gv(s)—執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)；

G01(s)、G02(s)—主、副控制對(duì)象的傳遞函數(shù)；

Gml(s)、Gm2(s)—主、副變送器的傳遞函數(shù)；

Nl(s)、N2(s)—一次干擾和二次干擾的傳遞函數(shù)。

假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為：

將副回路反饋信號(hào)相加點(diǎn)由副調(diào)節(jié)器之前向后移至副對(duì)象之前，經(jīng)簡(jiǎn)化，可得出其等效副對(duì)象為：

因此，在本控制系統(tǒng)中，等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和放大倍數(shù)都縮小了，隨著副控放大倍數(shù)Kc2整定得越大，等效副對(duì)象的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)縮小得越顯著。這相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)，這會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，控制更為及時(shí)，更有利于提高控制品質(zhì)和系統(tǒng)可控性[3][4]。

2.2 控制效果分析

由于副回路控制通道環(huán)節(jié)少，時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏。所以當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)可以獲得比單回路系統(tǒng)更快的控制作用，有效的克服電壓波動(dòng)對(duì)爐膛溫度造成的影響，從而大大提高控制質(zhì)量。

通過以上直觀分析可以看出，使用串級(jí)控制系統(tǒng)后，由于引入了副回路，不僅能迅速克服副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)，粗調(diào)和快調(diào)的作用，主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)和慢調(diào)的作用，對(duì)副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以消除，主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，使控制質(zhì)量顯著提高，能很好滿足設(shè)備指標(biāo)要求。

因此擴(kuò)散爐引入串級(jí)控制后，其優(yōu)點(diǎn)為：

（1）引入副回路，可改善對(duì)象特性，提高溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提升控制品質(zhì)和系統(tǒng)可控性。

（2）串級(jí)控制系統(tǒng)的抗干擾能力比單回路控制系統(tǒng)要強(qiáng)得多，特別是當(dāng)干擾作用于副環(huán)時(shí)，系統(tǒng)的抗干擾能力會(huì)更強(qiáng)。

（3）能有效地縮短回溫時(shí)間，減少煩瑣的工藝溫度校正工作量，單回路控溫系統(tǒng)管內(nèi)工藝回溫的溫度到達(dá)設(shè)定值通常需要15 min以上，而溫度采用串級(jí)控制的管內(nèi)溫度到達(dá)設(shè)定值的溫度可以少于10 min。

3 PID設(shè)置

在溫度串級(jí)控制過程采用分段處理的方式，即把整個(gè)溫控過程分為三段，分別是升溫段、拐點(diǎn)段、恒溫段。

升溫段為了節(jié)約時(shí)間和成本，一般是全功率加熱，獲得最短升溫時(shí)間。就是說在升溫段采用單級(jí)PID控制，即副回路不受主回路的影響。此時(shí)次回路的檢測(cè)值PV2與SV相差比較大，一般會(huì)100%的輸出。如果對(duì)升溫段的升溫速率也有要求（小于最大升溫速率），此時(shí)一般對(duì)副回路的MV2加以限制，即計(jì)算輸出為100，而實(shí)際輸出為70（參考數(shù)據(jù)），從而達(dá)到控制升溫速度的目的。

拐點(diǎn)段為升溫段到恒溫段的過渡階段，也是系統(tǒng)控制的難點(diǎn)，控制效果對(duì)恒溫段的控制有直接的影響，此時(shí)一般要做特殊處理，即根據(jù)主、副回路的PV、SV、MV的相互關(guān)系對(duì)副回路的SV進(jìn)行限制或修正，進(jìn)而達(dá)到控制副回路MV在所要求的范圍內(nèi)。這樣可以限制超調(diào)或欠調(diào)幅度，還可以縮短恒溫段的穩(wěn)定時(shí)間。確定升溫段與拐點(diǎn)段的分割點(diǎn)，控制方式發(fā)生變化，由單級(jí)PID轉(zhuǎn)換為串級(jí)PID。

恒溫段為長(zhǎng)時(shí)間保持溫度在固定值的階段，受拐點(diǎn)段效果影響。該段主要保證 a、b、c、d、e這五段溫區(qū)相互之間的溫差在額定的范圍內(nèi)，消除溫區(qū)相互影響的關(guān)鍵不僅僅依賴PID本身的調(diào)節(jié)功能，因此還需要合理硬件本身構(gòu)造保證。

4 工藝試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4、圖5是擴(kuò)散爐連續(xù)正常生產(chǎn)一個(gè)月后，新舊系統(tǒng)電池片的方塊電阻均勻性的大致對(duì)比（4-1-3管是串級(jí)系統(tǒng)，4-1-2管、4-1-4管是單回路系統(tǒng)），其中圖4為整管電池片不均勻性的比較，圖5為單片電池內(nèi)不均勻性的比較。從兩圖的比較可以看出串級(jí)控制系統(tǒng)的整管方塊電阻不均勻性比單回路控制方式的方塊電阻的不均性的波動(dòng)明顯要低，而串級(jí)控制系統(tǒng)的單片片內(nèi)不均勻性也要優(yōu)于單回路控制方式的方塊電阻。

圖4 整管電池片不均勻性比較

圖5 單片電池內(nèi)不均勻性比較

表1 溫度串級(jí)控制擴(kuò)散工藝測(cè)試數(shù)據(jù)

表1為溫度串級(jí)控制擴(kuò)散工藝在方塊電阻為60Ω的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出，溫度串級(jí)控制擴(kuò)散爐的片內(nèi)、片間、批間均勻性都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

5 結(jié) 論

串級(jí)溫度控制系統(tǒng)為閉環(huán)反饋控制，使?fàn)t管內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度一致，提高溫度控制的響應(yīng)時(shí)間，有效消除由于溫度波動(dòng)引起的擴(kuò)散工藝不穩(wěn)定，為晶體硅電池高阻提供了更精確的溫度保證。

[1]向小龍，禹慶榮，文庚云，等.光伏行業(yè)擴(kuò)散爐的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].太陽能，2007(11)：32-33.

[2]劉良玉，彭志堅(jiān).軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐研制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，181：39-42.

[3]Ruono P.J.，F(xiàn)leming P.Jones，Connectionist approach PID autotming，IEEE PROCEEDINGS，Vol.139，1992(3).

[4]龍占勇，鄧斌，羅心蕾.LTCC專用燒結(jié)設(shè)備溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]，2010，180:41-44.