多晶硅还原炉电气系统的设计和应用

　　一． 综述

　　多晶硅还原炉电气系统的主要设备是大功率调压器。调压器所带负载是多晶硅棒串联而成的纯电阻负载。调压器的作用实际上是对负载电阻进行电加热，并且保持硅棒表面温度恒定（一般1080℃）。硅棒串联而成的电阻是一个变化的电阻：第一，硅棒温度从常温上升到1000℃，Φ8直径硅芯电阻从几百kΩ下降到几十Ω；第二，保持硅棒表面温度1080℃，硅棒直径从Φ8增加到Φ150，硅棒电阻从几十Ω下降到几十mΩ。可见硅棒电阻大范围变动引起调压器输出电压和电流的调节范围大是这种调压器的设计特点。按照实际工作的性质，调压器分为硅棒温度从常温加热到1000℃的预热调压器和硅棒直径从Φ8增加到最终直径并且始终保持硅棒表面温度1080℃的还原调压器。

　　预热调压器工作过程中硅棒温度从常温加热到1000℃，其主要困难是硅棒初始电阻R太大，加热功率正比于V2/R，电阻大必然要求供电电压高（甚至需十几kV），一般应尽可能降低电阻R。常用方法有提高炉壁冷却液的温度，加粗硅芯直径，对硅芯参杂，炉内注入高温等离子体或放置卤钨灯等等。预热调压器工作时间十几分钟，功率30－200kVA。

　　还原调压器输出功率用于加热硅棒，硅棒再通过辐射、传导和对流方式将功率传递给还原炉内的反应气体和炉壁的冷却液。随硅棒直径增长，反应气体流量加大，炉内的反应气体和炉壁的冷却液带走的热量增加，调压器输出功率越来越大。工艺对还原炉提出的技术要求如图一所示。还原调压器设计必须满足工艺上随直径Φ变化，电压V、电流I和功率P的供电要求。同时，重点考虑高电压的电气结构问题、大电流的电气结构问题、负载电阻变化引起的调节器参数设计问题、调压范围大引起的功率因数低和谐波问题、结构上的环流问题、硅棒碰壁、裂棒检测及断电再上电等辅助功能问题。

　　多晶硅还原炉电气系统除了调压器以外还有一套计算机管理、操作系统。它的主要功能是：

　　1． 对管辖的所有还原炉电气设备（调压器、变压器、开关柜）进行数字通信。
　　2． 对管辖的所有还原炉电气设备的电气数据进行画面显示和曲线记录，并且对所有还原炉电气设备的故障进行画面提示和记录。
　　3． 对管辖的所有还原炉电气设备进行画面操作。

　　该系统采用双冗余计算机和光纤通信，可靠性高、抗干扰能力强。

　　目前，国际上对中国实行还原炉电气系统的技术封锁，同类进口产品只是国际九十年代初的水平。要想设计出适应我国还原炉内硅棒不断增多、直径不断长粗、气体压力不断增高的还原炉电气系统，仍然需要依靠中国电气同行的共同努力。
　　

　　二． 预热调压器的设计

　　目前比较流行的预热方式是直接采用高压调压电源进行预热，而不是用高温等离子体或放置卤钨灯等方式。因为在掌握了电极绝缘技术的情况下，高压调压电源进行预热，工艺优势比较大。

　　预热调压器方案1，380V交流电压经过交流调压器调压后连接到升压变压器原边。变压器副边1档额定输出V1（例如12kV）、2档额定输出V2（例如6kV）、3档额定输出V3（例如3kV）。K1真空接触器吸合，调压输出范围V1－V2；K2真空接触器吸合，调压输出范围V2－V3；K3真空接触器吸合，调压输出范围V3－1000℃硅棒电压。方案1的缺点是真空接触器体积较大，维护多、切换时间较长。优点是不考虑环流问题。

　　预热调压器方案2，380V交流电压经过交流调压器Q1调压后连接到升压变压器原边1档，变压器副边额定输出电压V1（例如12kV），调压输出范围V1－V2。380V交流电压经过交流调压器Q2调压后连接到升压变压器原边2档，变压器副边额定输出电压V2（例如6kV），调压输出范围V2－V3。380V交流电压经过交流调压器Q3调压后连接到升压变压器原边3档，变压器副边额定输出电压V3（例如3kV），调压输出范围V3－1000℃硅棒电压。方案2不是真空接触器换档而是可控硅换档，无换档时间。但是图三中存在不同档的两个可控硅开通形成变压器原边两个抽头短路的环流可能性。因此，方案2的核心技术是确保任何一档可控硅工作时，其他档可控硅处于脉冲封锁状态，绝不会产生环流。实际上环流是两个原因造成的：一是应该关断的可控硅在干扰情况下误触发导通；二是应该关断的可控硅承受很大的dv/dt而导通。因此，主回路应该通过阻容吸收电路抑制可控硅两端的电压尖峰和dv/dt，控制回路应该采取抗干扰措施。
　　
　　根据经验，预热调压器最高输出电压：硅棒长度×700V/米（炉壁冷却液温度240℃）；硅棒长度×1500V/米（炉壁冷却液温度130℃）。当预热调压器最高输出电压超过炉底电极绝缘电压时，可以采用短对方案，也可以采用多电源方案。

　　短对方案中K1和K2真空接触器先吸合，预热调压器为一对棒加热到1000℃。然后K1真空接触器吸合、K2断开，预热调压器为1000℃的一对棒和常温的一对棒串联加热，使两对棒都加热到1000℃。最后K1、K2都断开，预热调压器为1000℃的两对棒和常温的一对棒串联加热，使三对棒都加热到1000℃。短对方案的主要缺点是把1000℃的硅棒和常温的硅棒串联再加热时，由于