多晶硅还原炉电源系统的一体化解决方案
多晶硅还原炉电源系统的一体化解决方案四川英杰电气有限公司
摘
要：多晶硅是生产环保新能源——太阳能光伏电池的最基础的材料。本文首先概述了多晶硅生产工艺及其实现方法，然后着重描述了多晶硅还原炉电源系统的一体化解决方案以及针对用户的配套方案。
关键词：多晶硅还原炉；电源系统；多晶硅生产工艺；太阳能光伏电池；一体化解决方案
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引言
众所周知，硅材料是半导体工业，电子信息产业，太阳能光伏电池产业的最重要、最基础的功能性材料。而在整个硅材料产业链中，多晶硅是最重要的一环，也是制约我国硅产业发展的主要瓶颈之一。多晶硅作为制备单晶硅的唯一原料和生产太阳能电池的材料，随着近些年来全球单晶硅生产迅速增长和全球光伏发电的环保能源的旺盛需求，使得多晶硅市场异常火爆。
目前多晶硅生产技术主要有：改良西门子法、硅烷法和流化床法，从多晶硅生产的主要工艺技术的现状和发展趋势来看，改良西门子工艺能够兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，以其技术成熟、适合产业化生产等特点，仍是目前多晶硅生产普遍采用的首选工艺。但该技术主要被美、日、德等国垄断，直到2000年左右才寻到机会，从俄罗斯引入，然后在有关研究院的努力下，形成了国内自有技术，攻克了多晶硅制造及产业化的基础性关键性问题，使得大规模生产成为可能。随着多晶硅项目红红火火地展开，也就将配套设备的相关问题暴露了出来。据有关专家分析，我国多晶硅在工业生产方面与国际先进水平的差距主要表现在四个方面：一是工艺、设备落后，导致物料与电力消耗过大；二是生产规模小；三是超高纯产品难以获得；四是成本没有竞争力。
这样一来大家都不得不注意到：方案及其设备的性能好坏直接影响着多晶硅生产的品质和成本，同时对于设备能否长期稳定、可靠运行以及设备后期维护的难度和效率也对生产影响深远。所以选择一个好的方案，选择一套性价比高的设备，选择一个专业的、综合实力雄厚的、拥有自主知识产权的、能长期稳定运作的、服务响应快捷的、不受国际关系剧烈动荡影响的、可靠的公司成为了当前国内众多企业的首选。
在以下的章节中，将着重对多晶硅还原炉电气系统的一体化解决方案及其设备性能进行介绍，抛砖引玉以便有关企业共同探究。
2 各种解决方法
2.1
多晶硅生产工艺简述
改良西门子法采用氢还原三氯氢硅的方式生产多晶硅。三氯氢硅还原在超低碳的不锈钢或镍基合金制成的水冷炉壁还原炉内，用氢将三氯氢硅还原成硅。炉内有不透明的石英钟罩和用细硅芯或钽管制成的发热体。细硅芯是用超纯硅在特制的硅芯炉内制成。在进行化学气相沉积之前，由于硅在常温时电阻率很高，因此硅芯必须在石英罩外用电阻加热至300℃或用几千伏的高压电启动。经过提纯的氢气在挥发器将三氯氢硅自炉底带入炉内，于1100℃左右进行还原反应，使硅沉积在发热体上。由于诸多原因使硅的沉积速度较慢，一般不超过0.5mm/h，生产直径为150～200mm的多晶硅棒需要一周乃至更多时间。
2.2工艺实现的方法
基于上述工艺可知，多晶硅生产首先需要启动，然后再进行还原生长。目前从行业实际应用情况来看，还原生长方法的差异主要在于电气技术上（见第3.3.2节），而还原启动方法的差异较大：
◆外加热方法
由于硅在常温时电阻率很高，不易导通，业内多晶硅生产厂家常采用
①石墨加热、②等离子加热、③卤素灯加热等外加热方式，将还原炉炉温加热至300℃左右，还原电源输出中压，使硅芯导通，完成启动过程，然后继续加热进行化学气相沉积，完成还原生长。但以上启动方案或多或少存在：操作麻烦、起动时间长、效率低、启动成功率低、影响硅纯度、还原设备复杂等弊端。
◆电启动方法
因此也有部分多晶硅生产厂家采用几千伏的高压电启动方式，由于是让硅棒自身发热，从而使其发热内外上下均匀、快速，同时可有效解决或缓解上述弊端：缩短启动时间、提高启动效率和成功率、减小还原电气设备复杂程度。因此，高压启动方式具有先天优势，对于高品质的多晶生产是目前的一种最优选择。
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一体化方案
广大的多晶制造企业对各种启动方式的电气设备和还原设备，并不十分熟悉，而且繁杂的方法和设备也给大家带来了不少困惑：不知道各种设备的可靠性、先进性、成熟性、各子系统的相互匹配性以及如何搭配等等。这样一来，对于能提供一体化解决方案的需求变得愈发重要，毕竟多晶项目的设备是相当重要而且投入也是非常巨大的。
3 一体化解决方案
3.1
概述
英杰电气公司在成功开发出单晶硅电源、多晶硅铸锭电源的同时，积极探索多晶硅还原炉电源系统的关键技术，于2007年底成功推出多晶硅还原炉电源系统的一体化解决方案。该方案的核心部份由高压启动电源和还原电源组成，辅以切换柜、隔离柜、接地柜及上位DCS系统组成了整个电源系统，能够成功完成多晶硅从启动到还原生长的所有工艺控制过程。多晶还原在生产方式上分为9对棒、12对棒、18对棒、24对棒，这里主要介绍基于 12 对棒的多晶硅还原炉
电源系统的一体化解决方案，系统构成如图1。
图1多晶硅还原炉一体化电源系统构成
▲系统原理说明
如图2所示：还原炉电源系统首先启动高压击穿电源，提供0～12kV高压击穿硅芯；待硅芯击穿恒流加热数秒后，切换到维持电源，提供0～4kV中压加热硅芯，继续提高炉温；维持电源加热数分钟后，切换到还原电源，提供0～1.6kV对硅芯加热，此时完成启动过程；接下来完全由还原电源加热进行化学气相沉积，在长达一周多的时间里完成还原生长，形成多晶硅棒。
图2系统原理
3.2
高压启动电源系统
如图3所示：高压启动电源系统包括高压启动电源（硅芯击穿）和维持加热电源（中压加热）。高压启动电源采用两柜协调控制完成硅芯启动过程，启动过程速度快、对硅芯无污染。
图3高压启动电源系统原理
该高压启动电源系统采用全数字式KTY1S功率控制器作为控制核心，KTY1S是英杰电气公司自主研发用于功率控制的产品，该控制器采用全数字设计，控制精度高，输出稳定可靠，通讯功能强大，KTY1S配合西门子PLC的逻辑控制及其它高品质高压器件，可顺利完成硅芯从击穿到维持的全过程。
采用高压总线，可实现一套高压启动电源系统轮流启动多台还原炉，为用户减少设备投入（如图4所示）。
图4高压总线原理
3.3还原电源
3.3.1
串并联模式
多晶硅气相沉积所需电源的特点是还原初期小功率、高电压；还原末期大功率、低电压。为满足工艺要求，在还原初期将4对硅棒两两串连后再并联，形成并联工作模式，通过高电压低电流的电源供电使硅棒导通加热；还原末期将4对硅棒串联形成串联工作模式，通过低电压大电流的电源供电使还原过程可靠进行，同时也提高了还原变压器的利用效率。
图5串并联运行模式
还原电源接受本地或远程给定，采集硅棒电流电压信号，根据硅棒电流电压，自动调整4对硅棒工作于并联或串连模式（如图5所示）。
3.3.2
叠层控制
为调整输出电压满足整个还原周期内的功率需求，解决早期的多抽头单层调整方式、切换硅棒连接的多抽头单层调整方式等控制方案存在的操作麻烦、电源谐波成分高、功率因数低、变压器效率低、设备浪费严重、调整时间长、生产成本高等弊端，我们采用了多层电源叠层控制技术，使每组功率回路接受4种电压等级的电源，叠层输出功率电源。多层电源叠层控制方式，能有效提高还原电源效率、减小谐波，节能降耗显著，优势明显（见图6、7）。
还原电源系统除采用了串并联控制与叠层控制技术外，其控制核心采用了英杰公司自主研发的具有国际水平的KTY1S全数字功率控制器，同时系统配置了快速信号采集装置、西门子高档PLC（SIMATIC S7-400）及高品质的功率器件。在设计施工中充分考虑到了各子系统的相互匹配性，考证了各种设备的可靠性、先进性和成熟性，从而保障了整机系统的可靠、匹配与兼容。
系统触发控制使用光纤触发，提高了触发精度和抗干扰能力，减少了柜内连线，降低了维护难度；输入、输出接口隔离，通过电磁兼容试验，抗干扰能力强；相对现有的国内常规还原电源系统，本系统具有自动化程度高，功率因数高及谐波低等优点。
4 配套方案
对于用户而言，整套系统从设计、制造到拉到现场仅仅完成了一半，要想将其安装、调试、稳定运行起来还有很长一段过程。在此期间，必然会有大量事务需要解决，主要包括：安装施工、调试验收、操作保养维修培训、生产技术护航、故障快速服务等方面。此外，由于设备一旦投入，将运行许多年，设备的备件保障也是一个重要问题。
因此，在技术方案一体化的基础上，我们通过进一步分析用户需求，想用户之所想，急用户之所急，将售前、售中、售后乃至若干年后的重要需求全部融合在一起，推出了全方位的一体化解决方案。主要包括三大部分：①设备保证和性能保证；②设备调试、验收和现场培训；③质量保证及售后服务承诺。配套方案的具体条款在具体项目中有详尽的描述，通过方案的实施，可以让用户更放心整个电气工程项目。
5 结束语
英杰电气自成立之初，便致力于工业电源产品的研发与生产，在10多年的探索之路上，不断推出适合工业各行业需要的各种规格的电源产品。为打破国外产品在硅晶体生产电气电源控制设备上的垄断，于2002年开始了对该领域的关注和研究。目前，英杰电气开发的多晶硅还原炉电源系统已经为国内一些大型多晶硅项目配套，与国外同类产品相比：技术性能处于同一水平，成本更低，为用户创造价值（品质优良、节能降耗、省时省力），达成双赢，这是我们一贯的宗旨。在广大晶体制造企业的支持下，英杰将在高品质晶体电源上持续进步，可以为用户提供的不仅仅只有“交钥匙工程”，更可以提供“放心工程”。以“为民族工业自动化添砖加瓦”为使命的英杰人，用行动捍卫着自己的信念，英杰会做得更好，为社会创造更多的价值。
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