多晶硅提純電子束熔煉爐高壓電源的研究

蘇振源，韋壽祺，王宗坤，劉志杰，朱思思，費(fèi) 翔

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004;2.桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司，廣西桂林 541004)

多晶硅作為制造各種集成電路、半導(dǎo)體器件的主要原料，是發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。尤其是在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)方面，多晶硅已成為最主要的太陽(yáng)能電池材料，其具有生長(zhǎng)能耗少、利用率高、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。但多晶硅存在較高的雜質(zhì)含量是制約發(fā)展的主要因素，因此，提純多晶硅已成為亟待解決的問(wèn)題。當(dāng)前多晶硅的制備提純方法主要有西門子法、硅烷法、高純碳還原法、冶金法等［1］。其中冶金法是指采用物理手段，利用各種材料的不同熔點(diǎn)，通過(guò)高速電子轟擊原料時(shí)所產(chǎn)生的熱能來(lái)進(jìn)行熔煉和提純的方式。此種方式是集合了真空物理、材料科學(xué)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)等多種技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，此外還具有無(wú)耐火材料、對(duì)環(huán)境無(wú)污染和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。目前大部分電子束熔煉爐都采用晶閘管交流移相調(diào)壓，其設(shè)備功率因素、運(yùn)行效率、對(duì)變壓器的利用率均較低，輸出的直流高壓紋波較大，降低了電子束在電子槍中的流通率。此種調(diào)壓方式雖具有技術(shù)成熟、線路簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有明顯缺陷［2］。

因此本文提出一種新型的高壓電源結(jié)構(gòu)，其采用輸出電壓閉環(huán)控制，由三相市電供電，利用可控電抗器的工作狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)輸入升壓變壓器的一次側(cè)電壓。經(jīng)升壓、整流后，對(duì)輸出直流高壓進(jìn)行采樣，并將采樣信號(hào)作為負(fù)反饋信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制三相可調(diào)電抗器直流控制繞組的電流，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。

1 高壓電源結(jié)構(gòu)及其工作原理

電子束熔煉爐高壓電源的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其主要由三相可控電抗器、電流變送器、升壓變壓器、十二脈波整流電路、高壓濾波與扼流電路、Buck電壓調(diào)節(jié)電路、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其外圍輔助電路組成。

圖1 高壓電源結(jié)構(gòu)原理圖

1.1 三相可控電抗器

三相可調(diào)電抗器是由3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單相可調(diào)電抗器組成的，每個(gè)單相可調(diào)電抗器的鐵心為三柱式結(jié)構(gòu)，左右呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的鐵心柱截面面積與上下兩側(cè)的軛鐵心截面面積相同，但以上2組截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積;單相可調(diào)電抗器的交流繞組在中心的鐵心柱上，單相可調(diào)電抗器的直流控制繞組對(duì)稱繞在左右兩側(cè)鐵心柱上，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。可控電抗器是一個(gè)具有附加直流激磁，帶鐵心的交流電路，直流激磁起控制作用，因此直流繞組又稱控制繞組Nk，交流繞組與工作負(fù)載相接，因此，交流繞組又稱工作繞組Ng。

圖2 三相可控電抗器結(jié)構(gòu)圖

在交流輸入電壓一定時(shí)，交流繞組的感抗值X由下式可確定

式中，ω=2πf表示角頻率;Sc表示鐵心截面積;Lt表示磁路平均長(zhǎng)度;μ表示鐵心磁導(dǎo)率;μo表示空氣磁導(dǎo)率;N表示繞組匝數(shù)。

可控電抗器就是利用鐵心材料磁化曲線的非線性關(guān)系，通過(guò)直流控制繞組的電流改變鐵心的磁飽和度，從而達(dá)到平滑調(diào)節(jié)交流繞組電抗值的目的。在交流繞組產(chǎn)生的磁通基礎(chǔ)上，增加一個(gè)直流分量

式中，φk表示控制繞組產(chǎn)生的直流磁通量，φg(ωt)表示交流磁通量。若直流磁通量處在磁通曲線的負(fù)半周，直流磁通的方向應(yīng)是反方向，即

假設(shè)直流控制回路中串聯(lián)較大阻抗，交流側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)忽略不計(jì)。可控電抗器的工作模式有兩種，設(shè)輸入的交流電壓固定不變:(1)Ik為0，直流磁通φk為0，X最大，Ig最小，相當(dāng)于變壓器的空載運(yùn)行。(2)Ik一定時(shí)，鐵心中磁感應(yīng)既有直流分量，又有交流分量。由于這兩部分的疊加作用，鐵心進(jìn)入磁飽和階段，因此，交流磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，鐵心的磁導(dǎo)率下降，X變小。

由上可知，鐵心中交流繞組的感抗值X與磁導(dǎo)率μ有關(guān)，X隨著控制電流Ik而變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度H越大，鐵心越飽和，μ越小，X也越小。因此說(shuō)明直流磁通量的大小直接影響著磁飽和度［3］。

1.2 線性電抗器的作用

三相電路不對(duì)稱，在三相可調(diào)電抗器直流控制繞組中將會(huì)感應(yīng)出交流電，產(chǎn)生變壓器效應(yīng)，從而降低三相可調(diào)電抗器的閃變抑制效果，為彌補(bǔ)這一缺陷，因此在三相可調(diào)電抗器的直流控制繞組回路中串聯(lián)一個(gè)線性電抗器L2?？蛰d或輕載運(yùn)行時(shí)，三相可調(diào)電抗器的控制直流較小，鐵芯淺度飽和或工作于線性區(qū)圖3中的S點(diǎn)，交流繞組流過(guò)的交流電流較小，通過(guò)交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)不足以使鐵芯進(jìn)入深度飽和，磁路呈現(xiàn)出較小的磁阻，穿過(guò)交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均較大，電網(wǎng)電壓有部分消耗在三相可調(diào)電抗器的交流繞組上。圖3為可控電抗器運(yùn)行磁通變化圖。

圖3 可控電抗器運(yùn)行磁通變化圖

1.3 Buck電壓調(diào)節(jié)電路

Buck電壓調(diào)節(jié)電路與低壓整流電路為三相可控電抗器的直流控制繞組提供直流電。Buck電壓調(diào)節(jié)電路主要包括功率開(kāi)關(guān)管V和低壓續(xù)流二極管D1，功率開(kāi)關(guān)管的基極與高壓驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相接，低壓續(xù)流二極管的陽(yáng)極與陰極分別接在三相可調(diào)電抗器直流控制繞組L1的兩端，其電路如圖4所示。

圖4 Buck電壓調(diào)節(jié)電路

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 穩(wěn)態(tài)工作模式

圖4為典型BUCK電路。假定電子器件為理想的，BUCK電路有兩種可能的工作模式，分別為電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷流模式(DCM)。設(shè)d為T通斷占空比，VS和VO分別為輸入和輸出電壓，則兩種模式的VO和VS、d的關(guān)系分別為

式中，IO滿足電流連續(xù)條件，BUCK電路工作在電感電流連續(xù)模式［5］。

2.2 自然限流特性

三相可調(diào)電抗器通過(guò)對(duì)稱電流時(shí)，根據(jù)對(duì)稱三相電路特性，三相可調(diào)電抗器的直流控制繞組總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0，因此三相可調(diào)電抗器中交流繞組的電流不會(huì)影響直流控制繞組的電流變化。改變?nèi)嗫烧{(diào)電抗器中直流控制繞組的電流，使得三相交流繞組每相等效電抗按同樣的規(guī)律變化。額定運(yùn)行時(shí)，直流控制繞組產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的直流磁場(chǎng)，使鐵心深度飽和(圖3中Q點(diǎn))，交流繞組流過(guò)的額定電流，通過(guò)交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)不足以使鐵芯退出飽和，使磁路呈現(xiàn)出較大的磁阻，穿過(guò)交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均較小，電網(wǎng)電壓幾乎全加在升壓變壓器的一次側(cè)繞組上。若電子束熔煉爐在運(yùn)行過(guò)程中，一旦產(chǎn)生放電現(xiàn)象，相當(dāng)于高壓電源發(fā)生短路故障，則較大的短路電流流過(guò)三相可調(diào)電抗器交流繞組，

由以上兩式可知，CCM模式的變量關(guān)系簡(jiǎn)單;DCM 模式，VO與 VS、d、R、L、f等呈非線性關(guān)系。

通常工作情況下，一般負(fù)載電流IO大于臨界CCM電流 IOK，即使得每個(gè)單相可調(diào)電抗器的兩側(cè)鐵芯柱在正負(fù)半周交替退出飽和區(qū)，三相可調(diào)電抗器呈現(xiàn)出較大電抗，從而限制短路電流，使得三相可調(diào)電抗器具有限流特性。由式(1)可知，短路故障時(shí)，μ立即升高，X迅速增大，可控電抗器呈現(xiàn)大阻抗。

3 控制系統(tǒng)及控制方式

3.1 控制原理

電源采用市電工頻交流輸入→三相可控電抗器調(diào)壓→三相升壓變壓器升壓→高壓整流濾波的電流變換方式輸出的技術(shù)路線;對(duì)輸出的直流高壓進(jìn)行高壓取樣，得到高壓采樣信號(hào)，并與計(jì)算機(jī)控制單元輸出的高壓給定信號(hào)一同輸入比較器，將高壓采樣信號(hào)與高壓給定信號(hào)做比較得到高壓偏差信號(hào)送入高壓調(diào)節(jié)器;高壓調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，將接收到的高壓偏差信號(hào)進(jìn)行比例—積分運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，送入驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)三相可控電抗器直流控制繞組的直流供電電源中功率管的占空比，從而控制三相電抗器中直流繞組電流，使電抗器中磁阻發(fā)生變化，讓穿過(guò)交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生改變，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，使高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 PID控制器設(shè)計(jì)

三相供電電壓通常存在±20%的波動(dòng)，經(jīng)整流過(guò)后的電壓也至少存在一定的波動(dòng)。此外，12脈波整流也使電壓存在固有的脈動(dòng)和紋波。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是抑制電壓波動(dòng)和整流固有紋波對(duì)輸出電壓的影響。系統(tǒng)采用負(fù)反饋的控制結(jié)構(gòu)，控制器采用PID結(jié)構(gòu)，即

考慮到系統(tǒng)固有紋波對(duì)控制環(huán)節(jié)的影響，采用PI控制器，其控制電路如圖6所示。

圖6 PI控制器電路

3.3 PID參數(shù)整定

無(wú)論線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，PID參數(shù)的整定在工程上均相同，即從純P控制的階躍響應(yīng)出發(fā)，根據(jù)一定規(guī)則，獲取合適的P控制，再根據(jù)此P控制確定其他控制參數(shù)。在此，以臨界比例法為基礎(chǔ)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行獲取。

(1)臨界比例控制。設(shè)K*P為臨界比例控制，令KI=KD=0，得到純P的控制特性，由控制特性確定K*P的值。

(2)以臨界比例控制K*P為基礎(chǔ)，將K*P減少，加入積分控制，得到動(dòng)、靜態(tài)效果最好時(shí)，確定KP和KI。

在高速PWM電路中，一般采用模擬PID控制器，考慮到放大器的穩(wěn)定工作及干擾的抑制，采用兩級(jí)放大。控制電路參數(shù)需要滿足式(6)的要求

根據(jù)運(yùn)放的穩(wěn)定性與安全性原則，應(yīng)盡量均勻分配兩級(jí)放大倍數(shù)［6］。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，建立30 kV，300 kW電子束高壓電源進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試。圖7所示為空載時(shí)升壓變壓器一次側(cè)輸入電壓波形VS與輸出電壓波形VO。在設(shè)定高壓30 kV，束流10 A時(shí)，升壓變壓器一次側(cè)輸入電壓波形VS與輸出電壓波形VO如圖8所示，輸入電壓近似為正弦波，輸出電壓保持在一定范圍之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能精確可靠地調(diào)節(jié)和輸出穩(wěn)定高壓，且對(duì)各種故障能準(zhǔn)確判斷并及時(shí)采取相應(yīng)措施，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 空載時(shí)輸入輸出波形

圖8 負(fù)載時(shí)輸入輸出波形

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述控制方式可獲得良好的性能，主要有:(1)串聯(lián)三相可控電抗器具有自然限流特性，且響應(yīng)快，能夠快速抑制高壓放電。(2)升壓變壓器的輸入電壓近似為正弦波，減少了電壓輸入時(shí)所含的高次諧波。(3)采用三相可控電抗器，控制靈活、穩(wěn)定性好、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸入內(nèi)阻小，短路內(nèi)阻大，能夠抑制過(guò)電壓，抑制諧波，并提高功率因數(shù)。(4)高壓整流電路采用12脈波整流，提高了電源的運(yùn)行效率，且降低了電源運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的“公害”。

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