一种多晶硅还原调功电源及其电气控制系统

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN201410844006.7 (22)申请日 2014.12.30

(71)申请人 北京京仪椿树整流器有限责任公司 地址 100031 北京市西城区北新华街68号 (72)发明人 杨力 郑炳鑫 徐克峰 麻艳红 郝平勇

(74)专利代理机构 北京卫平智业专利代理事务所(普通合伙) 代理人 郝亮 (51)Int.CI

(10)申请公布号 CN 104714443 A (43)申请公布日 2015.06.17

权利要求说明书 说明书 幅图

()发明名称

一种多晶硅还原调功电源及其电气

控制系统 (57)摘要

一种60对棒多晶硅还原调功电

源，包括变压器、功率柜、隔离柜、控制柜；变压器，原边连接三相电网，副边分别连接至三台功率柜，为功率柜提供电源；每台功率柜包括三组电源，1组为4对硅芯供电，另2组各为8对硅芯供电；三台调功柜共9组电源对60对硅芯供电；控

制柜包括DSP控制器和PLC单元，集中监控还原调功变压器、功率柜以及隔离柜内的所有开关量和模拟量信号。在减少生产成本、降低能耗的同时，无需另加补偿设备，可提高多晶硅产品质量、减低消耗。 法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种60对棒多晶硅还原调功电源，包括一台变压器、三台功率柜、

所述变压器，原边连接三相电网，副边分别连接至三台功率柜，为功率

所述功率柜，其输入与变压器的输出连接，其输出分别与隔离柜的输入

柜提供电源；

三台隔离柜、一台控制柜；

连接；每台功率柜包括三组电源，1组为4对硅芯供电，另2组各为8对硅

电；三台调功柜共9组电源对60对硅芯供电；

芯供

所述隔离柜，每台隔离柜包括3个2极断路器、2个4极接触器，3个5极接

触器，共8个开关；隔离柜开关输入与功率柜的输出连接，输出连接

底的硅芯；以上开关根据不同的硅芯生长阶段互相连锁，

至还原炉

由控制柜统一控制；

所述控制柜，包括DSP控制器和PLC单元，集中监控还原调功变压器、功

2.如权利要求1所述60对棒多晶硅还原调功电源，其特征在于，三相电 再

率柜以及隔离柜内的所有开关量和模拟量信号。

与60对多晶硅棒对应关系是：三相电A、B、C中每相对应20对多晶硅芯；

将每相20对多晶硅芯分为4对、8对、8对三路，即第1路为

路为8对多晶硅芯，且第2路分为两组，每组各

同；其中运行方式是：第1路单独

组并联运行，分别由

并联运

4对多晶硅芯，第2

4对多晶硅芯；第3路与第2路相

运行，第2路的两组，在硅芯生长的前期两

两组电源供电，当电流、电压达到一定值时，再将两组

行切换为8对多晶硅芯串联运行，并由一组电源供电，直至全部多晶硅

3.如权利要求1所述60对棒多晶硅还原调功电源，其特征在于，功率柜

4.一种如权利要求1、2或3所述还原调功电源的电气控制系统，包括：

和隔离柜以及变压器每一相一一对应，进出线母排相互靠近。

芯生长完成；第3路与第2路的运行相同。

DSP控制器和PLC单元，其中，DSP控制器采用电流闭环控制算法输出脉

晶闸管功率器件，控制功率柜每相各档位叠层平滑输出；

站和DSP控制器进行通讯，接收开关和

及故障信号；

冲触发

PLC单元与上位机主

模拟量信号以及输出各开关、模拟量以

其特征在于，电气控制过程为：

1)PLC单元接收电流给定值，并初始化档位值；

2)判断电流给定值是否满足条件，并向DSP控制器发送电流给定值和档

位信号；

3)DSP控制器通过触发脉冲驱动功率柜晶闸管工作，并向PLC单元提供每

4)PLC单元通过判定电流给定值以及每相当前档位反馈以及控制角反馈，

相当前档位反馈以及控制角反馈；

控制输出档位信号并发送给DSP控制器，实现协同控制脉冲输出。

5.如权利要求4所述还原调功电源的电气控制系统，其特征在于，

DSP控制器采用叠层控制方式，即当运行至某一档时，该档和前一档两档 1档

脉冲电压同时输出；具体为1档运行时输出1档脉冲，当运行至2档时输出

和2档脉冲，当运行至3档时输出2档和3档脉冲，同时封锁

当运行至7档时输出6档和7档脉冲。

1档脉冲；依次类推，

6.如权利要求5所述还原调功电源的电气控制系统，其特征在于，叠层

7.如权利要求6所述还原调功电源的电气控制系统，其特征在于，所述

控制以三档、五档或七档叠层输出；开始时，三档、五档和七档同时控制输

出，达到电流给定值时，切换为五档和七档控制输出。

叠层控制方式具体为：在60对多晶硅棒中，以A相20对多晶硅棒，开始

为五组输出：1组七档叠层控制4对多晶硅棒、2组三

棒、2组五档叠层各控制4对多晶硅棒；

关切换，将三档叠层控制的

同时切换到五

阶段分

档叠层各控制4对多晶硅

在电流达到一定值时，通过接触器开

4对多晶硅棒与五档叠层输出的4对多晶硅棒串联，

档叠层输出为8对多晶硅棒加热，这时工作方式为三组输出，对

应多晶硅棒数为4对，8对，8对，其中4对多晶硅棒由七档叠层控制，8

硅棒由五档叠层控制；B、C相与A相相同。

对多晶

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅还原调功电源及控制系统，具体说是一种60对棒多晶硅还原调功电源及其电气控制系统。 背景技术

由于多晶硅行业属于高能耗行业，因此，如何降低多晶硅生产的成本已经成为多晶硅行业发展的的重点。增加多晶硅还原炉的硅棒对数是目前经常采用的方法。但目前多晶硅还原调功电源及其电气控制系统存在以下缺点：一是，为了提高产能目标，但由于技术的缺陷，并未采用提高还原炉中的硅棒对数，而是通过增加还原调功电源的数量来提高企业的产能。多晶硅生产属于高能耗行业，简单的增加还原调功电源的数量势必会导致更大的成本；二是，众多企业的DSP控制系统还是采用普通控制方式，全程功率因数较低，谐波污染大；三是，DSP控制系统检测到某相硅棒瞬间出现较大裂纹时，此时控制系统检测到电流反馈骤减，为了维持当前的电流给定值，DSP控制系统会在毫秒级时间将脉冲退回电压最高档，而此时电压最高档的晶闸管功率器件电流等级最小，瞬间的较大电流就会损坏当前电流等级较小的晶闸管功率器件。 发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种多晶硅还原调功电源及其电气控制系统，旨在提供一种新的调功电源和控制系统，以期可以提高多晶硅企业的产能，降低企业多晶硅的生产成本，防止DSP控制系统出现脉冲退档烧毁晶闸管功率器件。

为此，本发明采用如下技术方案。

本发明主要针对60对多晶硅棒；

一、60对棒多晶硅还原调功电源构成：

包括一台变压器、三台功率柜、三台隔离柜、一台控制柜；

所述变压器，原边连接三相电网，副边分别连接至三台功率柜，为功率柜提供电源；

所述功率柜，其输入与变压器的输出连接，其输出分别与隔离柜的输入连接；每台功率柜包括三组电源，1组为4对硅芯供电，另2组各为8对硅芯供电；三台调功柜共9组电源对60对硅芯供电；

通过DSP控制器控制脉冲触发每组电源中的晶闸管功率器件，从而实现对还原炉内的硅芯加热；

所述隔离柜，每台隔离柜包括3个2极断路器、2个4极接触器，3个5极接触器，共8个开关。隔离柜开关输入与功率柜的输出连接，输出连接至还原炉底的硅芯；以上开关根据不同的硅芯生长阶段互相连锁，由控制柜统一控制；

所述控制柜，包括DSP控制器和PLC单元，实现集中监控还原调功变压器、功率柜以及隔离柜内的所有开关量和模拟量信号；

功率柜和隔离柜以及变压器每一相一一对应，进出线母排相互靠近；

还原调功电源的电气设计如下；

三相电与60对多晶硅棒对应关系是：三相电A、B、C中每相对应20对多晶硅芯；

再将每相20对多晶硅芯分为4对、8对、8对三路，即第1路为4对多晶硅芯，第2路为8对多晶硅芯，且第2路分为两组，每组各4对多晶硅芯；第3路与第2路相同；其中运行方式是：第1路单独运行，第2路的两组，在硅芯生长的前期两组并联运行，分别由两组电源供电，当电流、电压达到一定值时，再将两组并联运行切换为8对多晶硅芯串联运行，并由一组电源供电，直至全部多晶硅芯生长完成；第3路与第2路的运行相同。

二、还原调功电源的电气控制系统

电气控制系统，包括：DSP控制器和PLC单元，其中，

DSP控制器通过电流闭环控制算法驱动输出脉冲触发晶闸管功率器件，其主要功能是通过信号采集，实现电流闭环，形成晶闸管功率器件触发脉冲，控制功率柜每相各档位叠层平滑输出，见图2所示；

PLC单元包括电源模块、CPU模块、通信模块以及信号模块；PLC单元工作过程为与上位机主站进行通讯、与DSP控制器进行通讯，接收开关和模拟量信号以及输出各开关、模拟量以及故障信号等；

西门子S7-300系列逻辑控制系统，有运行可靠，编程功能强等特点，与DSP控制器采用MODBUS总线方式通讯实现协同控制，发送给定信号给DSP控制器。PLC对隔离柜内的开关实现软件互锁控制，接收隔离柜内各开关状态、调功功率柜的电压电流、熔断保护单元故障信号等功能，如图4所示。

如图5所示，PLC与DSP控制器协同控制的具体方式为：

1)PLC单元接收电流给定值，并初始化档位值；

2)判断电流给定值是否满足条件，并向DSP控制器发送电流给定值和档位信号；

3)DSP控制器通过触发脉冲驱动功率柜晶闸管工作，并向PLC单元提供每相当前档位反馈以及控制角反馈；

4)PLC单元通过判定电流给定值以及每相当前档位反馈以及控制角反馈，控制输出档位信号并发送给DSP控制器，实现协同控制脉冲输出；

通过PLC控制DSP控制器的档位，可防止因硅棒突发裂纹导致DSP控制器出现脉冲快速退档情况，同时限定了每档的电流值，从而保证了晶闸管功率器件工作的安全性。

DSP控制器采用叠层控制方式，即当运行至某一档时，该档和前一档两档脉冲电压同时输出；具体为1档运行时输出1档脉冲，当运行至2档时输出1档和2档脉冲，当运行至3档时输出2档和3档脉冲，同时封锁1档脉冲；同理，依次类推，当运行至7档时输出6档和7档脉冲。

以三档叠层输出为例，如图3所示，叠层输出波形如图所示，根据电流给定值，输出3档位脉冲，控制角由180°减小至0°，第3档位开始输出，当第3档位全部输出，第2档位开始输出，控制角180°减小至0°，当第3档全部输出后，第1档开始输出，这时第3档位关断触发脉冲，第2档与第1档档位同时输出。

叠层控制以三档、五档或七档叠层输出；开始时，三档、五档和七档同时控制输出，达到电流给定值时，切换为五档和七档控制输出；叠层控制方式具体为：在60对多晶硅棒中，以A相20对多晶硅棒为例，开始阶段分为五组输出：1组七档叠层控制4对多晶硅棒、2组三档叠层各控制4对多晶硅棒、2组五档叠层和控制4对多晶硅棒；在电流达到一定值时，通过接触器开关切换，将三档叠层控制的4对多晶硅棒与五档叠层输出的4对多晶硅棒串联，同时切 换到五档叠层输出为8对多

晶硅棒加热，这时工作方式为三组输出，对应多晶硅棒数为4对，8对，8对，其中4对多晶硅棒由七档叠层控制，8对多晶硅棒由五档叠层控制；同理，B、C相与A相相同。

本发明具有以下有益效果：

1、目前一套12对棒还原炉的产量约3.5吨左右，而一套60对棒还原炉中每根硅棒直径可达170mm，产量约17吨左右，生产周期约7-8天，产量是12对棒的4倍左右。在减少生产成本、降低能耗的同时，远远比简单增加还原调功电源数量给企业带来更多的利润；

2、60对棒多晶硅还原调功电源系统中，功率柜和隔离柜以及变压器每一相一一对应，进出线母排相互靠近，有效降低系统涡流损耗、抵消线路磁场；

3、DSP控制器采用叠层控制，电源系统全程功率因数明显改善，全程平均功率因数在0.92以上，电流总谐波因数THD％完全满足国家标准，企业无需另加补偿设备，为企业提高竞争力，提高多晶硅产品质量、减低消耗；

4、电气控制系统中使用PLC单元与DSP控制器协同控制。防止在多晶硅生产过程中因裂棒和倒棒导致DSP控制器触发脉冲倒档，避免了系统中功率保护器件的击穿，既提高的电气控制系统的稳定性，又保证了企业的安全生产。 附图说明

图1 60对棒还原调功电源系统原理图

图2 DSP闭环控制原理功能图

图3 三档叠层控制波形示意图

图4 PLC单元与DSP控制器原理框图

图5 PLC与DSP协同控制流程图

图6 A相还原生产原理图

6-1 为A1路还原生产原理图

6-2 为A2路还原生产原理图

6-3 为A3路还原生产原理图

附图中标记分别表示： 图1中：

10—还原调功变压器，副边连接3台功率柜，

20—调功控制柜，

301—第一台功率柜，即A相又分为A1、A2、A3共3路，

302—第二台功率柜，即B相又分为B1、B2、B3共3路，

303—第三台功率柜，即C相又分为C1、C2、C3共3路，

401—第一台隔离柜，包含A1、A2、A3共3组，

402—第二台隔离柜，包含B1、B2、B3共3组，

403—第三台隔离柜，包含C1、C2、C3共3组， 图3中：

Ⅰ—第1档输出电压示意波形，

Ⅱ—第2档输出电压示意波形，

Ⅲ—第3档输出电压示意波形。 图4中：

20—控制柜，包括PLC单元和DSP控制器，

201—PLC单元，

202—DSP控制器，

30—功率柜，

40—隔离柜，

图6-1中：

A1—A相电源的第一分组，

K1—两极接触器开关，为A1组的4对棒串联运行供电，

1、2、3、4、5、6、7—对应第一台功率柜中A1组的档位，

8—多晶硅芯，即4对硅芯，

4011—第一台隔离柜中的两极接触器K1，

4012—第一台功率柜中A1相的7档晶闸管组件，

图6-2中：

A2—A相电源的第二分组，

A21、A22—A2的两个分组，

K2—两极接触器开关，为A2组8对棒串联运行供电，

Q2—四极断路器开关，为A2组两组4对棒并联运行供电，

1、2、3、4、5—对应第一台功率柜中A2组的相应档位，

8—多晶硅芯，即4对硅芯，

4013—第一台隔离柜中的K2和Q2，

4014—第一台功率柜的第2组，其又分为A21组的5档晶闸管组件和A22组的3档晶闸管组件，

图6-3中：

A3—A相电源的第三分组，

A31、A32—A3的两个分组，

K3—两极接触器开关，为A3组8对棒串联运行供电，

Q3—四极断路器开关，为A3组两组4对棒并联运行供电，

1、2、3、4、5—对应第一台功率柜中A3组的相应档位，

8—多晶硅芯，即4对硅芯，

4015—第一台隔离柜中的K3和Q3，

4016—第一台功率柜的第3组，其又分为A31组的5档晶闸管组件和A32组的3档晶闸管组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 实施例

如图1所示，60对多晶硅棒还原调功电源系统，包括一台还原调功变压器、3台功率柜、3台隔离柜、1台控制柜。

还原调功变压器，原边连接三相AC35kV电网，副边采用多种电压等级输出，分别连接至三台功率柜，为3台功率柜提供电源；

功率柜，主要包括晶闸管功率组件、电压电流采集模块、熔断保护及脉冲触发单元；其输入分别与变压器的输出连接，其输出分别与隔离柜的输入连接；第一台为A相功率柜，第二台为B相功率柜，第三台功率柜为C相功率柜，每台功率柜又包括三组晶闸管组件，第1组为4对硅芯供电，第2组为8对硅芯供电，第3组为8对硅芯供电；三台功率柜共9组为60对硅芯供电；

隔离柜，每台隔离柜中包括3个2极断路器、2个4极接触器、3个五极接触器。隔离柜开关输入与功率柜的输出连接，输出连接至还原炉底的硅芯，通过控制柜对隔离柜开关的切换为硅芯在不同的生长阶段提供电源；

所述的控制柜，包括DSP控制器和PLC单元，实现集中监控多晶硅还原调功电源系统；

通过控制柜DSP控制器控制脉冲触发每组电源中的晶闸管功率器件，从而实现对还原炉内的硅芯加热。

多晶硅还原调功电源的电气控制的实现主要由控制柜内的DSP控制器和PLC单元完成。

电气控制系统，包括：DSP控制器和PLC单元，其中，

DSP控制器由TI公司的DSP芯片TMS320F28335、ALTERA公司的CPLD芯片EPM1270、AD公司的采集芯片AD7656、ISSI公司的RAM芯片IS61LV51216-10TI、MICROCHIP公司的ROM芯片FM25CL、电力MOSFET管驱动芯片TC4427EOA以及TI公司的RS485芯片等组成，DSP控制器的核心采用TI公司的TMS320F28335DSP芯片，是专为电子电路的数字化控制而设计，具有抗干扰能力强、运行稳定、控制响应速度快等优点；

其工作过程为DSP与PLC单元采用MODBUS总线方式通讯，接收PLC发送的给定信号，同时从功率柜内的电压电流采集模块接收信号，如图2所示，DSP控制器通过自身的电流闭环控制和叠层控制驱动输出脉冲触发功率柜内的晶闸管功率器件，其主要功能是通过信号采集，实现电流闭环控制，形成晶闸管功率器件触发脉冲，控制功率柜每相各档位叠层平滑输出；

DSP控制器采用的叠层控制方式，即两档之间电压同时输出。以三档叠层输出为例，如图3波形所示，根据电流给定值，先输出3档位脉冲，控制角由180°减小至0°，第3档位开始输出，当第3档位全部输出，第2档位开始输出，控制角由180°减小至0°，当第3档全部输出后，第1档开始输出，这时第3档位关断触发脉冲，第2档与第1档档位同时输出。

叠层控制以三档、五档或七档叠层输出；开始时，三档、五档和七档同时控制输出，达到电流给定值时，切换为五档和七档控制输出；叠层控制方式具体为：在60对多晶硅棒中，以A相20对多晶硅棒为例，开始阶段分为五组输出：1组七档叠层控制4对多晶硅棒、2组三档叠层各控制4对多晶硅棒、2组五档叠层各控制4对多晶硅棒；在电流达到一定值时，通过接触器开关切换，将三档叠层控制的4对多晶硅棒与五档叠层输出的4对多晶硅棒串联，同时切换到五档叠层输出为8对多晶硅棒加热，这时工作方式为三组输出，对应多晶 硅棒数为4对，8对，8对，其中4对多晶硅棒由七档叠层控制，8对多晶硅棒由五档叠层控制。B、C相与A相同理。

叠层控制有利于提高调功电源系统的功率因数，提高还原电源电能转化效率，同时降低网侧谐波含量、提高还原变压器的利用率。

PLC单元包括西门子S7-300系列电源模块、CPU模块、通信模块以及信号模块等；PLC单元工作过程为与上位机主站进行通讯，与DSP控制器进行通讯，接收开关

和模拟量信号以及输出各开关、模拟量以及故障信号等；

西门子S7-300系列逻辑控制系统，有运行可靠，编程功能强等特点，与DSP控制器采用MODBUS总线方式通讯实现协同控制，发送给定信号给DSP控制器。PLC对隔离柜内的开关实现软件互锁控制，接收隔离柜内各开关状态、调功功率柜的电压电流、熔断保护单元故障信号等功能，如图4所示。

如图5所示，PLC与DSP控制器协同控制的具体方式为：

1)PLC单元接收电流给定值，并初始化档位值；

2)判断电流给定值是否满足条件，并向DSP控制器发送电流给定值和档位信号；

3)DSP控制器通过触发脉冲驱动功率柜晶闸管工作，并向PLC单元提供每相当前档位反馈以及控制角反馈；

4)PLC单元通过判定电流给定值以及每相当前档位反馈以及控制角反馈，控制输出档位信号并发送给DSP控制器，实现协同控制脉冲输出；

通过PLC控制DSP控制器的档位，可防止因硅棒突发裂纹导致DSP控制器出现脉冲快速退档情况，同时限定了每档的电流值，从而保证了晶闸管功率器件工作的安全性。

多晶硅还原调功电源的电气控制设计如下：

以第一台功率柜即A相功率柜作具体说明，其分为三路：A1、A2和A3；如图6-1所示，A1路是7档晶闸管功率组件，控制柜内PLC单元首先通过闭合第一台隔离柜内两极接触器K1，同时发送给定电流和档位信号至DSP控制器，DSP控制器接收给定和档位，通过电流闭环和叠层控制方式，输出脉冲触发晶闸管功率组件的导

通，即A1路7档叠层运行，为4对硅芯加热，直至硅芯生长完成；

如图6-2所示，A2路分为A21和A22两组，A21组是5档晶闸管功率组 件，A22组是3档晶闸管功率组件，在硅芯生长的前期，控制柜内PLC单元闭合第一台隔离柜内的四极断路器Q2，同时DSP控制器接收给定和档位，经过电流闭环和叠层控制方式，输出晶闸管功率组件的导通角度，通过光纤触发A2路5档晶闸管叠层运行和3档晶闸管叠层运行，实现两组并联运行，分别为两组4对多晶硅芯加热，当控制柜内的DSP控制器检测到A21和A22组对应硅芯的电流、电压达到一定值时，再通过PLC单元将第一台隔离柜内的四极断路器Q2断开，闭合两极接触器K2将两组4对多晶硅芯并联运行切换为8对多晶硅芯串联运行，DSP控制器保持A21组不变并封锁A22组触发脉冲，此时8对硅芯仅由A21组5档晶闸管功率组件供电，直至硅芯生长完成；

如图6-3所示，A3路也分为A31和A32两组，A31组是5档晶闸管功率组件，A32组是3档晶闸管功率组件，在硅芯生长的前期，控制柜内PLC单元先闭合第一台隔离柜的四极断路器Q3，同时DSP控制器通过光纤控制A3路5档和3档晶闸管功率组件同时运行，实现两组并联运行，分别为两组4对多晶硅芯加热，当控制柜内的DSP控制器检测到A31和A32组对应硅芯的电流、电压达到一定值时，通过PLC单元控制流程，将第一台隔离柜内的四极断路器Q3断开，闭合两极接触器K3将两组4对硅芯从并联运行切换为8对硅芯串联运行，DSP控制器保持A31组脉冲不变并封锁A32组触发脉冲，仅由A31组5档晶闸管功率组件为8对硅芯供电，直至硅芯生长完成。

至此，控制柜通过对第一台隔离柜的开关以及第一台功率柜中A1、A2、A3三路晶闸管功率组件的控制，实现了20对硅芯的还原生长加热控制，同理，控制柜也可以通过对第二台隔离柜的开关以及第二台功率柜中B1、B2、B3三路晶闸管功率组件的控制，实现20对硅芯的还原生长加热控制，通过对第三台隔离柜的开关以及第三台功率柜中C1、C2、C3三路晶闸管功率组件的控制，实现20对硅芯的还

原生长加热控制，电气控制步骤与A相完全相同，通过控制柜对三台功率柜以及隔离柜的控制，实现了60对硅芯的整个还原生长的电气控制。

针对60对棒还原调功电源，如图1的还原调功柜的原理可能会增加打压维持柜，方便分批将硅棒击穿，然后切换至维持柜，最后通过隔离柜将硅棒从维持电源切换至还原调功电源。对于硅棒生产过程中出现的裂棒和倒棒故障，也可以通过DSP自身检测和控制，这样无疑会增加DSP控制器的中断工 作任务，降低其工作效率，把相应的检测和保护放置在PLC控制中是最优的控制方案。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的保护范围。