基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的方法及装置，能够避免运行过程中由低层再退回高层的情况，防止多晶硅生长过程中击穿快熔和可控硅，并防止输出电压出现陡增陡降的情况。所述方法包括：在具有电压限制环的控制回路上，PID控制器通过电压限制过程控制还原电源的电压限制状态，和/或通过电流层叠限制过程控制还原电源的PID输出值。

说明书

技术领域

本发明涉及还原电源控制技术领域，尤其涉及一种基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的方法及装置。

背景技术

多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法。西门子法通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅，该工艺将工业硅加工成SiHCl，再让SiHCl₃在H₂气氛的还原炉中还原沉积得到多晶硅。还原炉排出的尾气H₂、SiHCl₃和HCl经过分离后再循环利用。多晶硅的反应容器(还原炉)为密封的，用电加热硅棒，在1050～1100度的棒上生长多晶硅。还原炉和加热硅棒电源是多晶硅生产过程中非常重要的技术设备，它完成从三氯氢硅到多晶硅的生产工艺环节。

在多晶硅还原初期，硅棒直径较小，电阻值较大，要求提供很高的电压才能击穿反应容器内的硅棒组，在棒上产生电流，才能达到加热的目的。随着硅棒的生长，其直径逐渐增大，电阻逐渐减小，电压减小电流增大。在还原生产过程中，由于硅棒电阻变化非常大，电压电流变化范围特别宽，为降低使用电压等级，提高设备利用率，采用了电源设备并串联技术。在运行前期，电压要求高，电源设备并联接入，当硅棒上产生一定程度的电流后自动切换到电源设备串联接入。

另外，在还原生长的过程中，硅棒电阻率发生非常大的变化，需求功率大，电压、电流变化范围宽，针对这些问题，目前采用了变压器多抽头，多级电压切换控制，电源设备叠层控制和负载并串联控制相结合。对于目前工艺上大多采用交流调压方案，且整个设备分了高压启动系统、隔切柜、主变开关柜与还原变压器、还原电源系统组成。

还原部分：目前还原功率部分大都采用交流供电。对交流供电范围宽，一般电压为300V-3000V；电流为30-3000A之间。多晶硅还原生长电压电流UI曲线如图1所示。叠层控制示意图如图2所示，其中变压器档位电压关系为U5>U4>U3>U2>U1。

然而，现行控制方案有以下不足之处：

1、生长过程中会因压力、气流等工艺原因出现裂棒、短棒(即硅棒电阻率突然增大或突然减小)，因还原电源为恒流控制，势必会在短时间造成电压陡增陡降的情况；

2、因还原电源采用多路绕组多档位电压叠层控制，因为双闭环(恒流限压)输出电压的增大减小会使还原电源在多档位间频繁切换，会导致限制环限制点偏移，从而影响恒流输出；

3、还原主变压器绕组的输出电压电流关系是，低压大电流，高压小电流，在其详细输出回路上也有相应可控硅等级的快熔作保护，短时间内多晶硅负载电阻由小突然增大再减小时，输出电压势必会从低电压层退回高电压层再到低层，恒定输出电流不变可能会造成，高压层快熔熔断、晶闸管过流损坏使设备停机，造成用户损失。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的方法及装置，能够避免运行过程中由低层再退回高层的情况，防止多晶硅生长过程中快熔和可控硅过流损坏，并防止输出电压出现陡增陡降的情况。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的方法，其包括：

在具有电压限制环的控制回路上，PID控制器通过电压限制过程控制还原电源的电压限制状态，和/或通过电流层叠限制过程控制还原电源的PID输出值。

优选的，所述电压限制过程包括：

在还原电源的运行过程中，PID控制器通过第一电压互感器动态采集前一段时间的第一前电压，通过第二电压互感器动态采集前一段时间的第二前电压；分别将第一前电压和第二前电压作为电压限制源，并基于电压限制上浮系数计算电压限定值；

在还原电源的运行一段时间后，通过第一开关组和第二开关组将负载设置为串联模式，在第一电压和/或第二电压大于电压限制值时，控制还原电源进入电压限制状态。

优选的，在电压限制状态中，电压限制源和电压限制值均保持不变，并通过PID控制器保持电流输出值不变；

所述一段时间为五分钟，或者一至三十分钟之间的任意时长。

优选的，在电压限制状态中，PID控制器持续计算并存储PID输出值A，保持输出为A不变，控制器继续实时运算，当某时刻运算PID值小于A时，退出电压限制状态。

优选的，所述电压限制上浮系数包括对应的第一电压限制上浮系数、第二电压限制上浮系数。

优选的，所述电流层叠限制过程包括：

设置多个与变压器档位电压对应的电流限制层，并选择其中一个作为当前电流限制层；当电流大于电流限制门限值时，确定对应的当前电流限制层数；负载设置为串联模式运行一段时间后，通过PID控制输出上限，限制为小于对应限制层数。

优选的，进一步包括：将PID控制器进入限制的条件设置为，电流大于设定值且移相到第二(中)、第一(低)两层的90°控制角

优选的，还原电源停机后自动恢复到最低电流限制层，而电压叠层恢复到最高层。

优选的，进一步包括：根据电流限制值由低到高依次设置第一、第二、第三电流限制层，并且，电流限制门限值由低到高分别为650、1400、2000A。

一种基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的装置，其包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行任一项所述的方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过自由调整电压限制上浮系数，当电流电压到达低压大电流层时，多晶硅负载电阻减小，为了恒定电流，用户修改电压上浮值，没有电压限制，叠层就会再退回高压层，因层数限制环起作用所以避免出现烧毁晶闸管及快熔的风险；由于电压限制时，进入限制状态后电流PID继续计算，但不作用输出，直到其输出值低于进入限制状态时的PID输出值时，才退出限制状态，避免PID长时间频繁切换，导致限制点偏移，输出波动。

附图说明

图1是多晶硅还原生长电压电流UI曲线。

图2是现有的一种叠层控制示意图。

图3是根据本发明示例性实施例的具有电压限制环的控制回路。

图4是根据本发明示例性实施例的电压限制过程示意图。

图5是根据本发明示例性实施例的电流层叠限制过程示意图。

图6是根据本发明示例性实施例的制控制还原电源的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3示出了根据本发明示例性实施例的具有电压限制环的控制回路，PID控制器(比例-积分-微分控制器)通过该回路基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的方法主要包括电压限制过程和电流层叠限制过程。

如图4所示，根据本发明示例性实施例的电压限制过程主要包括以下步骤：

步骤101：在还原电源的运行过程中，PID控制器(比例-积分-微分控制器)可以通过第一电压互感器PT1采集前一段时间的第一前电压，通过第二电压互感器PT2采集前一段时间的第二前电压。此处的一段时间，例如可以为五分钟，或者一至三十分钟之间的任意时长，下文中的五分钟同样也可以根据应用设置为不同的时间，并且，需要注意的是，这些步骤在重复执行的过程中，会根据运行时间的增加连续地进行电压采集实时刷新固定一段时间的前电压值、以及相应的电压、电流输出限制，整体上实现动态采集和动态限制和控制。

步骤102：将第一前电压和第二前电压一起作为电压限制源，并基于电压限制上浮系数(例如，默认值N等于1.25)计算电压限定值。具体地，电压限制值＝电压限制上浮系数*电压限制源。其中，电压限制上浮系数可以包括对应的第一、第二电压限制上浮系数，并可以分别通过界面菜单、物理按钮或旋钮等人机交互设备来获取用户根据多晶硅负载电阻的变化而设定的相应数值。

步骤103：在还原电源的运行五分钟后，通过第一开关组Ks和第二开关组Kp将负载Rs、Rn设置为串联模式，在第一电压VF1和/或第二电压VF2大于电压限制值时，进入电压限制状态。

步骤104：在电压限制状态中，电压限制源和电压限制值均保持不变，并通过PID控制器保持电流输出值不变。此时即使修改电压限制上浮系数也不改变电压限制值。

步骤105：在电压限制状态中，PID控制器持续计算并存储PID输出值A，保持输出为A不变，控制器继续实时运算，当某时刻运算PID值小于A时，退出电压限制状态。

图5示出了根据本发明示例性实施例的电流层叠限制过程，其在电压限制过程中，增大电压限制上浮系数后，增加了一个层叠限制环回控制过程来避免电流限制层退回较低电流限制层(即对应的电压叠层回到较高的叠层)，主要包括以下步骤：

步骤201：设置多个与变压器档位电压U1～U6对应的电流限制层，并选择其中一个作为当前电流限制层。例如，可以根据电流限制值由低到高依次设置第一、第二、第三电流限制层(例如，电流限制门限值由低到高分别为650、1400、2000A，用户可以通过人机交互设备来设置和更改电流限制门限值，从而从选择与电压U1～U6中任意三者对应的三个电流限制层)。

步骤202：当电流大于一电流限制门限值时，确定对应的当前电流限制层数。

步骤203：负载设置为串联模式运行五分钟后，通过PID控制器输出限制将当前电流对应层数限制为小于当前电流限制层数。这样，波形推到低压层后，输出不可逆，推过的层数不能再退回；例如当从U5(对应第三电流限制层)工作到U3(对应第一电流限制层)时，输出负载变化，输出电压不可退回第二电流限制层。

步骤204：并且，将PID控制器进入限制的条件设置为，电流大于设定值且移相到第二(中)、第一(低)两层的90°控制角。

而且，在上述过程中，还原电源停机后自动恢复到最低电流限制层，而电压叠层从U1到U6叠层恢复到最高层。

图6示出了根据本发明示例性实施例的用于基于电压限制和电流叠层限制控制还原电源的装置，即电子设备310(例如具备程序执行功能的计算机服务器)，其包括至少一个处理器311，电源314，以及与所述至少一个处理器311通信连接的存储器312和输入输出接口313；所述存储器312存储有可被所述至少一个处理器311执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器311执行，以使所述至少一个处理器311能够执行前述任一实施例所公开的方法；所述输入输出接口313可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源314用于为电子设备310提供电能。

本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。