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JK3S型閉環技術可控硅調壓器多晶硅還原爐電氣系統研制及其實際應用


  一．綜述多晶硅還原爐電氣系統的主要設備是大功率調壓器。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成的純電阻負載。調壓器的作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯而成
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一．綜述


多晶硅還原爐電氣系統的主要設備是大功率調壓器。調壓器所帶負載是多晶硅棒串聯而成的純電阻負載。調壓器的作用實際上是對負載電阻進行電加熱，并且保持硅棒表面溫度恒定（一般1080℃）。硅棒串聯而成的電阻是一個變化的電阻：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。可見硅棒電阻大范圍變動引起調壓器輸出電壓和電流的調節范圍大是這種調壓器的設計特點。按照實際工作的性質，調壓器分為硅棒溫度從常溫加熱到1000℃的預熱調壓器和硅棒直徑從Φ8增加到最終直徑并且始終保持硅棒表面溫度1080℃的還原調壓器。


預熱調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，對硅芯參雜，爐內注入高溫等離子體或放置鹵鎢燈等等。預熱調壓器工作時間十幾分鐘，功率30－200kVA。


還原調壓器輸出功率用于加熱硅棒，硅棒再通過輻射、傳導和對流方式將功率傳遞給還原爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液。隨硅棒直徑增長，反應氣體流量加大，爐內的反應氣體和爐壁的冷卻液帶走的熱量增加，調壓器輸出功率越來越大。工藝對還原爐提出的技術要求如圖一所示。還原調壓器設計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，重點考慮高電壓的電氣結構問題、大電流的電氣結構問題、負載電阻變化引起的調節器參數設計問題、調壓范圍大引起的功率因數低和諧波問題、結構上的環流問題、硅棒碰壁、裂棒檢測及斷電再上電等輔助功能問題。

多晶硅還原爐電氣系統除了可控硅調壓器以外還有一套計算機管理、操作系統。它的主要功能是：

1． 對管轄的所有還原爐電氣設備（調壓器、變壓器、開關柜）進行數字通信。

2． 對管轄的所有還原爐電氣設備的電氣數據進行畫面顯示和曲線記錄，并且對所有還原爐電氣設備的故障進行畫面提示和記錄。

3． 對管轄的所有還原爐電氣設備進行畫面操作。

該系統采用雙冗余計算機和光纖通信，可靠性高、抗干擾能力強。


目前，國際上對中國實行還原爐電氣系統的技術封鎖，同類進口產品只是國際九十年代初的水平。要想設計出適應我國還原爐內硅棒不斷增多、直徑不斷長粗、氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統，仍然需要依靠中國電氣同行的共同努力。氣體壓力不斷增高的還原爐電氣系統，仍然需要依靠中國電氣同行的共同努力。

二． 預熱調壓器的設計


目前比較流行的預熱方式是直接采用高壓調壓電源進行預熱，而不是用高溫等離子體或放置鹵鎢燈等方式。因為在掌握了電極絕緣技術的情況下，高壓調壓電源進行預熱，工藝優勢比較大。