多晶硅提纯电子束熔炼炉高压电源的研究

苏振源，韦寿祺，王宗坤，刘志杰，朱思思，费 翔

(1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004;2.桂林狮达机电技术工程有限公司，广西桂林 541004)

多晶硅作为制造各种集成电路、半导体器件的主要原料，是发展信息产业和新能源产业的基础。尤其是在太阳能光伏产业方面，多晶硅已成为最主要的太阳能电池材料，其具有生长能耗少、利用率高、成本相对较低等优点。但多晶硅存在较高的杂质含量是制约发展的主要因素，因此，提纯多晶硅已成为亟待解决的问题。当前多晶硅的制备提纯方法主要有西门子法、硅烷法、高纯碳还原法、冶金法等［1］。其中冶金法是指采用物理手段，利用各种材料的不同熔点，通过高速电子轰击原料时所产生的热能来进行熔炼和提纯的方式。此种方式是集合了真空物理、材料科学、电力电子技术、计算机和控制技术等多种技术于一体的高科技产品，此外还具有无耐火材料、对环境无污染和节约能源等优点。目前大部分电子束熔炼炉都采用晶闸管交流移相调压，其设备功率因素、运行效率、对变压器的利用率均较低，输出的直流高压纹波较大，降低了电子束在电子枪中的流通率。此种调压方式虽具有技术成熟、线路简单、调节方便等优点，但也有明显缺陷［2］。

因此本文提出一种新型的高压电源结构，其采用输出电压闭环控制，由三相市电供电，利用可控电抗器的工作状态来调节输入升压变压器的一次侧电压。经升压、整流后，对输出直流高压进行采样，并将采样信号作为负反馈信号，通过计算机控制系统控制三相可调电抗器直流控制绕组的电流，进行自动调节，使电子束熔炼炉高压电源输出电压值保持稳定。

1 高压电源结构及其工作原理

电子束熔炼炉高压电源的结构原理如图1所示，其主要由三相可控电抗器、电流变送器、升压变压器、十二脉波整流电路、高压滤波与扼流电路、Buck电压调节电路、计算机控制系统及其外围辅助电路组成。

图1 高压电源结构原理图

1.1 三相可控电抗器

三相可调电抗器是由3个结构相同的单相可调电抗器组成的，每个单相可调电抗器的铁心为三柱式结构，左右呈对称结构，左右两侧的铁心柱截面面积与上下两侧的轭铁心截面面积相同，但以上2组截面面积均小于中心的铁心柱截面面积;单相可调电抗器的交流绕组在中心的铁心柱上，单相可调电抗器的直流控制绕组对称绕在左右两侧铁心柱上，其结构如图2所示。可控电抗器是一个具有附加直流激磁，带铁心的交流电路，直流激磁起控制作用，因此直流绕组又称控制绕组Nk，交流绕组与工作负载相接，因此，交流绕组又称工作绕组Ng。

图2 三相可控电抗器结构图

在交流输入电压一定时，交流绕组的感抗值X由下式可确定

式中，ω=2πf表示角频率;Sc表示铁心截面积;Lt表示磁路平均长度;μ表示铁心磁导率;μo表示空气磁导率;N表示绕组匝数。

可控电抗器就是利用铁心材料磁化曲线的非线性关系，通过直流控制绕组的电流改变铁心的磁饱和度，从而达到平滑调节交流绕组电抗值的目的。在交流绕组产生的磁通基础上，增加一个直流分量

式中，φk表示控制绕组产生的直流磁通量，φg(ωt)表示交流磁通量。若直流磁通量处在磁通曲线的负半周，直流磁通的方向应是反方向，即

假设直流控制回路中串联较大阻抗，交流侧感应电动势忽略不计。可控电抗器的工作模式有两种，设输入的交流电压固定不变:(1)Ik为0，直流磁通φk为0，X最大，Ig最小，相当于变压器的空载运行。(2)Ik一定时，铁心中磁感应既有直流分量，又有交流分量。由于这两部分的叠加作用，铁心进入磁饱和阶段，因此，交流磁场强度增大，铁心的磁导率下降，X变小。

由上可知，铁心中交流绕组的感抗值X与磁导率μ有关，X随着控制电流Ik而变化，磁场强度H越大，铁心越饱和，μ越小，X也越小。因此说明直流磁通量的大小直接影响着磁饱和度［3］。

1.2 线性电抗器的作用

三相电路不对称，在三相可调电抗器直流控制绕组中将会感应出交流电，产生变压器效应，从而降低三相可调电抗器的闪变抑制效果，为弥补这一缺陷，因此在三相可调电抗器的直流控制绕组回路中串联一个线性电抗器L2。空载或轻载运行时，三相可调电抗器的控制直流较小，铁芯浅度饱和或工作于线性区图3中的S点，交流绕组流过的交流电流较小，通过交流绕组所产生的交流磁场不足以使铁芯进入深度饱和，磁路呈现出较小的磁阻，穿过交流绕组的磁通量及交流绕组两端的感应电动势均较大，电网电压有部分消耗在三相可调电抗器的交流绕组上。图3为可控电抗器运行磁通变化图。

图3 可控电抗器运行磁通变化图

1.3 Buck电压调节电路

Buck电压调节电路与低压整流电路为三相可控电抗器的直流控制绕组提供直流电。Buck电压调节电路主要包括功率开关管V和低压续流二极管D1，功率开关管的基极与高压驱动电路的输出端相接，低压续流二极管的阳极与阴极分别接在三相可调电抗器直流控制绕组L1的两端，其电路如图4所示。

图4 Buck电压调节电路

2 技术特点

2.1 稳态工作模式

图4为典型BUCK电路。假定电子器件为理想的，BUCK电路有两种可能的工作模式，分别为电感电流连续模式(CCM)和电感电流断流模式(DCM)。设d为T通断占空比，VS和VO分别为输入和输出电压，则两种模式的VO和VS、d的关系分别为

式中，IO满足电流连续条件，BUCK电路工作在电感电流连续模式［5］。

2.2 自然限流特性

三相可调电抗器通过对称电流时，根据对称三相电路特性，三相可调电抗器的直流控制绕组总的感应电动势为0，因此三相可调电抗器中交流绕组的电流不会影响直流控制绕组的电流变化。改变三相可调电抗器中直流控制绕组的电流，使得三相交流绕组每相等效电抗按同样的规律变化。额定运行时，直流控制绕组产生一个较强的直流磁场，使铁心深度饱和(图3中Q点)，交流绕组流过的额定电流，通过交流绕组所产生的交流磁场不足以使铁芯退出饱和，使磁路呈现出较大的磁阻，穿过交流绕组的磁通量及交流绕组两端的感应电动势均较小，电网电压几乎全加在升压变压器的一次侧绕组上。若电子束熔炼炉在运行过程中，一旦产生放电现象，相当于高压电源发生短路故障，则较大的短路电流流过三相可调电抗器交流绕组，

由以上两式可知，CCM模式的变量关系简单;DCM 模式，VO与 VS、d、R、L、f等呈非线性关系。

通常工作情况下，一般负载电流IO大于临界CCM电流 IOK，即使得每个单相可调电抗器的两侧铁芯柱在正负半周交替退出饱和区，三相可调电抗器呈现出较大电抗，从而限制短路电流，使得三相可调电抗器具有限流特性。由式(1)可知，短路故障时，μ立即升高，X迅速增大，可控电抗器呈现大阻抗。

3 控制系统及控制方式

3.1 控制原理

电源采用市电工频交流输入→三相可控电抗器调压→三相升压变压器升压→高压整流滤波的电流变换方式输出的技术路线;对输出的直流高压进行高压取样，得到高压采样信号，并与计算机控制单元输出的高压给定信号一同输入比较器，将高压采样信号与高压给定信号做比较得到高压偏差信号送入高压调节器;高压调节器为比例积分调节结构，将接收到的高压偏差信号进行比例—积分运算后输出控制信号，送入驱动电路调节三相可控电抗器直流控制绕组的直流供电电源中功率管的占空比，从而控制三相电抗器中直流绕组电流，使电抗器中磁阻发生变化，让穿过交流绕组的磁通量及交流绕组两端的感应电动势发生改变，进行自动调节电压，使高压电源输出电压值保持稳定。计算机控制系统结构如图5所示。

图5 计算机控制系统结构

3.2 PID控制器设计

三相供电电压通常存在±20%的波动，经整流过后的电压也至少存在一定的波动。此外，12脉波整流也使电压存在固有的脉动和纹波。控制系统设计的任务是抑制电压波动和整流固有纹波对输出电压的影响。系统采用负反馈的控制结构，控制器采用PID结构，即

考虑到系统固有纹波对控制环节的影响，采用PI控制器，其控制电路如图6所示。

图6 PI控制器电路

3.3 PID参数整定

无论线性系统还是非线性系统，PID参数的整定在工程上均相同，即从纯P控制的阶跃响应出发，根据一定规则，获取合适的P控制，再根据此P控制确定其他控制参数。在此，以临界比例法为基础，对参数进行获取。

(1)临界比例控制。设K*P为临界比例控制，令KI=KD=0，得到纯P的控制特性，由控制特性确定K*P的值。

(2)以临界比例控制K*P为基础，将K*P减少，加入积分控制，得到动、静态效果最好时，确定KP和KI。

在高速PWM电路中，一般采用模拟PID控制器，考虑到放大器的稳定工作及干扰的抑制，采用两级放大。控制电路参数需要满足式(6)的要求

根据运放的稳定性与安全性原则，应尽量均匀分配两级放大倍数［6］。

4 实验结果

根据设计方案，建立30 kV，300 kW电子束高压电源进行样机测试。图7所示为空载时升压变压器一次侧输入电压波形VS与输出电压波形VO。在设定高压30 kV，束流10 A时，升压变压器一次侧输入电压波形VS与输出电压波形VO如图8所示，输入电压近似为正弦波，输出电压保持在一定范围之内。实验结果表明，该控制系统能精确可靠地调节和输出稳定高压，且对各种故障能准确判断并及时采取相应措施，满足各项设计指标。

图7 空载时输入输出波形

图8 负载时输入输出波形

5 结束语

实验结果表明，采用上述控制方式可获得良好的性能，主要有:(1)串联三相可控电抗器具有自然限流特性，且响应快，能够快速抑制高压放电。(2)升压变压器的输入电压近似为正弦波，减少了电压输入时所含的高次谐波。(3)采用三相可控电抗器，控制灵活、稳定性好、可靠性高、结构简单、维护方便，同时实现了输入内阻小，短路内阻大，能够抑制过电压，抑制谐波，并提高功率因数。(4)高压整流电路采用12脉波整流，提高了电源的运行效率，且降低了电源运行时对电网产生的“公害”。

［1］姜大川.电子束熔炼提纯多晶硅的研究［D］.大连:大连理工大学，2012.

［2］张剑.冶金提纯法制备太阳能级多晶硅研究［D］.大连:大连理工大学，2009.

［3］蔡宣三，高越农.可控饱和电抗器原理、设计与应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［4］陈坚，康勇.电力电子学 －电力电子变换和控制技术［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［5］莫金海，韦寿祺，何少佳，等.新型PWM－BUCK电子束焊机稳定高压电源的设计［J］.焊接学报，2009，30(6):34－37.

［6］莫金海，韦寿祺，何少佳，等.人造金钢石加热系统分析及其精密交流调功器设计［J］.人工晶体学报，2009，38(3):612－618.