多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

　　一． 綜述

　　多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)的主要設(shè)備是大功率調(diào)壓器。調(diào)壓器所帶負(fù)載是多晶硅棒串聯(lián)而成的純電阻負(fù)載。調(diào)壓器的作用實(shí)際上是對(duì)負(fù)載電阻進(jìn)行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯(lián)而成的電阻是一個(gè)變化的電阻：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�？梢姽璋綦娮璐蠓秶�變動(dòng)引起調(diào)壓器輸出電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍大是這種調(diào)壓器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。按照實(shí)際工作的性質(zhì)，調(diào)壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃的預(yù)熱調(diào)壓器和硅棒直徑從Φ8增加到最終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃的還原調(diào)壓器。

　　預(yù)熱調(diào)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(yīng)盡可能降低電阻R。常用方法有提高爐壁冷卻液的溫度，加粗硅芯直徑，對(duì)硅芯參雜，爐內(nèi)注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等。預(yù)熱調(diào)壓器工作時(shí)間十幾分鐘，功率30－200kVA。

　　還原調(diào)壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流方式將功率傳遞給還原爐內(nèi)的反應(yīng)氣體和爐壁的冷卻液。隨硅棒直徑增長(zhǎng)，反應(yīng)氣體流量加大，爐內(nèi)的反應(yīng)氣體和爐壁的冷卻液帶走的熱量增加，調(diào)壓器輸出功率越來越大。工藝對(duì)還原爐提出的技術(shù)要求如圖一所示。還原調(diào)壓器設(shè)計(jì)必須滿足工藝上隨直徑Φ變化，電壓V、電流I和功率P的供電要求。同時(shí)，重點(diǎn)考慮高電壓的電氣結(jié)構(gòu)問題、大電流的電氣結(jié)構(gòu)問題、負(fù)載電阻變化引起的調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)問題、調(diào)壓范圍大引起的功率因數(shù)低和諧波問題、結(jié)構(gòu)上的環(huán)流問題、硅棒碰壁、裂棒檢測(cè)及斷電再上電等輔助功能問題。

　　多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)除了調(diào)壓器以外還有一套計(jì)算機(jī)管理、操作系統(tǒng)。它的主要功能是：

　　1． 對(duì)管轄的所有還原爐電氣設(shè)備（調(diào)壓器、變壓器、開關(guān)柜）進(jìn)行數(shù)字通信。
　　2． 對(duì)管轄的所有還原爐電氣設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行畫面顯示和曲線記錄，并且對(duì)所有還原爐電氣設(shè)備的故障進(jìn)行畫面提示和記錄。
　　3． 對(duì)管轄的所有還原爐電氣設(shè)備進(jìn)行畫面操作。

　　該系統(tǒng)采用雙冗余計(jì)算機(jī)和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。

　　目前，國(guó)際上對(duì)中國(guó)實(shí)行還原爐電氣系統(tǒng)的技術(shù)封鎖，同類進(jìn)口產(chǎn)品只是國(guó)際九十年代初的水平。要想設(shè)計(jì)出適應(yīng)我國(guó)還原爐內(nèi)硅棒不斷增多、直徑不斷長(zhǎng)粗、氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統(tǒng)，仍然需要依靠中國(guó)電氣同行的共同努力。

　　二． 預(yù)熱調(diào)壓器的設(shè)計(jì)

　　目前比較流行的預(yù)熱方式是直接采用高壓調(diào)壓電源進(jìn)行預(yù)熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式。因?yàn)樵谡莆樟穗姌O絕緣技術(shù)的情況下，高壓調(diào)壓電源進(jìn)行預(yù)熱，工藝優(yōu)勢(shì)比較大。

　　預(yù)熱調(diào)壓器方案1，380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器調(diào)壓后連接到升壓變壓器原邊。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）。K1真空接觸器吸合，調(diào)壓輸出范圍V1－V2；K2真空接觸器吸合，調(diào)壓輸出范圍V2－V3；K3真空接觸器吸合，調(diào)壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案1的缺點(diǎn)是真空接觸器體積較大，維護(hù)多、切換時(shí)間較長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)是不考慮環(huán)流問題。

　　預(yù)熱調(diào)壓器方案2，380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器Q1調(diào)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(diào)壓輸出范圍V1－V2。380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器Q2調(diào)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(diào)壓輸出范圍V2－V3。380V交流電壓經(jīng)過交流調(diào)壓器Q3調(diào)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(diào)壓輸出范圍V3－1000℃硅棒電壓。方案2不是真空接觸器換檔而是可控硅換檔，無換檔時(shí)間。但是圖三中存在不同檔的兩個(gè)可控硅開通形成變壓器原邊兩個(gè)抽頭短路的環(huán)流可能性。因此，方案2的核心技術(shù)是確保任何一檔可控硅工作時(shí)，其他檔可控硅處于脈沖封鎖狀態(tài)，絕不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。實(shí)際上環(huán)流是兩個(gè)原因造成的：一是應(yīng)該關(guān)斷的可控硅在干擾情況下誤觸發(fā)導(dǎo)通；二是應(yīng)該關(guān)斷的可控硅承受很大的dv/dt而導(dǎo)通。因此，主回路應(yīng)該通過阻容吸收電路抑制可控硅兩端的電壓尖峰和dv/dt，控制回路應(yīng)該采取抗干擾措施。
　　
　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)熱調(diào)壓器最高輸出電壓：硅棒長(zhǎng)度×700V/米（爐壁冷卻液溫度240℃）；硅棒長(zhǎng)度×1500V/米（爐壁冷卻液溫度130℃）。當(dāng)預(yù)熱調(diào)壓器最高輸出電壓超過爐底電極絕緣電壓時(shí)，可以采用短對(duì)方案，也可以采用多電源方案。

　　[$page]　　短對(duì)方案中K1和K2真空接觸器先吸合，預(yù)熱調(diào)壓器為一對(duì)棒加熱到1000℃。然后K1真空接觸器吸合、K2斷開，預(yù)熱調(diào)壓器為1000℃的一對(duì)棒和常溫的一對(duì)棒串聯(lián)加熱，使兩對(duì)棒都加熱到1000℃。最后K1、K2都斷開，預(yù)熱調(diào)壓器為1000℃的兩對(duì)棒和常溫的一對(duì)棒串聯(lián)加熱，使三對(duì)棒都加熱到1000℃。短對(duì)方案的主要缺點(diǎn)是把1000℃的硅棒和常溫的硅棒串聯(lián)再加熱時(shí)，由于常溫硅棒電阻很大，10000C的硅棒沒有獲取功率而溫度下降，硅棒溫度反復(fù)波動(dòng)容易出現(xiàn)裂棒甚至倒棒。
　　
　　多電源方案不會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)問題。對(duì)應(yīng)預(yù)熱調(diào)壓器1的一對(duì)硅棒先到1000℃，由于它對(duì)爐內(nèi)溫度的加熱，使對(duì)應(yīng)預(yù)熱調(diào)壓器2的兩對(duì)硅棒的最高每米電壓值降低，預(yù)熱調(diào)壓器2可以加熱兩對(duì)硅棒到1000℃。兩個(gè)預(yù)熱調(diào)壓電源相位互差120°，三根預(yù)熱母線中任意兩根線的電壓不超過預(yù)熱調(diào)壓器最高輸出電壓。
　　
　　為了簡(jiǎn)化設(shè)備，一般選用1套預(yù)熱調(diào)壓器對(duì)N臺(tái)爐進(jìn)行預(yù)加熱。9對(duì)棒還原爐預(yù)加熱系統(tǒng)原理，K1真空斷路器斷開，防止高壓加入A相還原調(diào)壓器。K2吸合，對(duì)1#爐A相3對(duì)棒預(yù)熱。預(yù)熱結(jié)束，K2斷開，K1吸合，A相3對(duì)棒開始由A相還原調(diào)壓器供電。同樣，K3真空斷路器斷開，防止