Устройство для регулируемого нагревания кремниевых стержней переменным током
Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству кремния в реакторах водородного восстановления полихлорсиланов и может быть использовано для регулируемого нагревания стержней поликристаллического кремния в реакторе. Целью изобретения является разработка устройства регулируемого нагревания кремниевых стержней с повышенным коэффициентом использования электрической энергии для нагревания поверхности стержня и стабильными характеристиками тока, используемого для нагревания кремниевых стержней. Технический результат достигается тем, что блок выпрямителей входного питающего напряжения устройства, состоящий из двух независимых выпрямителей, выполнен по схеме, обеспечивающей их последовательное или параллельное включение, при этом при последовательном включении выпрямителей получаем напряжение 1000В, которое используем в стартовой и начальной фазе наращивания кремния на стержнях, а при параллельном включении выпрямителей получаем напряжение 500В, которое позволяет снизить нагрузку и на диоды блока выпрямителей, и на силовые транзисторы преобразователя. Этот режим включается при снижении напряжения на стержнях до 400В. Кроме того, управление мощными транзисторными ключами для регулирования тока нагрева кремниевых стержней осуществляется методом широтно-импульсного преобразования на базе микропроцессорной системы. Импульсы тока частотой 15 кГц подаются непосредственно на стержни, чем и обеспечивается равномерный, по всему диаметру, разогрев стержня. Кроме этого, стартовый разогрев кремниевых стержней до рабочего состояния производится рабочим напряжением устройства посредством последовательного подключения и разогрева ветвей (частей) кремниевого стержня.
Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству кремния в реакторах водородного восстановления полихлорсиланов и может быть использовано для регулируемого нагревания стержней поликристаллического кремния в реакторе.
Известно устройство («Технология полупроводникового кремния под ред. Э.С.Фалькевича. Москва, «Металлургия», 1992 г.стр. 219-220) для нагревания кремниевых стержней, включающее силовой трансформатор, группу управляемых полупроводниковых выпрямительных мостов, подключенных через коммутаторы к вторичным обмоткам силового трансформатора и включенных последовательно со стержнями, управляющие входы которых подключены к системе импульсно - фазового управления.
Недостатком этого устройства является то, что оно не экономично и не обеспечивает стабильные характеристики тока на стержнях.
Известно устройство (Патент RU 
2346416 от 17.01.2008 Cl H05B 1/2) для нагревания кремниевых стержней, включающее силовой трансформатор, группу переключаемых полупроводниковых выпрямительных мостов, нагруженных на накопительные конденсаторы и подключенные к управляемым силовым транзисторам, которые управляются фазо-импульсным устройством по командам от ЭВМ, выходной ток силовых транзисторов сглаживается и выпрямляется дроссельно-конденсаторным фильтром.
Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает равномерный разогрев кремниевого стержня по его поперечному сечению.
Целью изобретения является разработка устройства регулируемого нагревания кремниевых стержней с повышенным коэффициентом использования электрической энергии для нагревания поверхности стержня и стабильными характеристиками тока, используемого для нагревания кремниевых стержней.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для нагревания кремниевых стержней, содержащем силовой трансформатор, к вторичным обмоткам которого через блок коммутации подключена группа полупроводниковых выпрямительных мостов, и блок импульсно - фазового управления и регулирования тока, включенный последовательно с выпрямительными мостами и кремниевыми стержнями, при этом блок коммутации выпрямительных мостов выполнен по схеме, обеспечивающей последовательное или параллельное включение выпрямительных мостов, блок импульсно - фазового управления и регулирования тока реализован на силовых транзисторах, включенных параллельно и управляемых импульсами высокой частоты, формируемыми схемой импульсно - фазового управления, при этом силовые транзисторы включены последовательно с каналом нагрузки, состоящим из кремниевых стержней соединенных последовательно и схема стартового разогрева кремниевых стержней.
Предлагаемое устройство для регулируемого нагревания кремниевых стержней иллюстрируется чертежами:
На Фиг.1 представлена схема включения полупроводниковых
выпрямительных мостов.
На Фиг.2 представлена схема включения основных элементов устройства для нагревания кремниевых стержней.
На Фиг.3 представлена схема включения транзисторов силового блока.
На Фиг.4 представлены эпюры напряжений транзисторов силового блока.
На Фиг.5 представлена схема канала нагрузки на кремниевых стержнях.
Устройство содержит силовой трансформатор Тр1 с двумя независимыми вторичными обмотками (см.Фиг.1), два полупроводниковых
выпрямительных моста Д1 и Д2, два нормально разомкнутых контактора К2 и К4 и один нормально замкнутый контактор К3, контактор К1, накопительный конденсатор С1 (см. Фиг.2), регулятор тока нагрузки состоящий из блока силовых транзисторов Т, RC-фильтра высокочастотных помех, панели охлаждения силовых транзисторов 2, микропроцессорной схемы управления силовыми транзисторами Т, состоящей из пульта оператора 9, микроконтроллера 7, широтно-импульсного модулятора 10, драйвера управления силовым транзистором 8, датчика тока 6, датчика температуры панели охлаждения 3, датчика температуры поверхности стержней 4, блок нагрузки 5 (см. Фиг.5), состоящий из трех кремниевых стержней и двух коммутаторов К5 и Кб, включенных параллельно двум кремниевым стержням 11 и 12. Блок силовых транзисторов (см. Фиг.3) состоит из двух групп по три включенных параллельно силовых транзисторов ТA, ТB, ТC и управляемых через драйвер 8 трехфазным широтно-импульсным модулятором, обеспечивающих их поочередное включение. Каждая группа транзисторов подключена к блоку нагрузки (кремниевым стержням). Шесть транзисторов блока расположены на двух теплоотводных панелях 2.
Устройство работает следующим образом:
Перед началом работы преобразователя заряжается силовой конденсатор С1 до напряжения 700В. После этого включается контактор К1 подачи питающего напряжения на силовой трансформатор Тр1 выпрямительного блока преобразователя.
В начальный период работы с блока силовых выпрямителей на блок силовых транзисторов подается напряжение 1000В. Для этого в силовом выпрямителе (Фиг.1) замыкается контактор К3 и размыкаются контакторы К2 и К4. Контакторы К2, К3 и К4 переключаются одновременно. Два выпрямителя по 500 В включаются последовательно и выдают на накопительный конденсатор и силовые транзисторы напряжение 1000В.
Регулирование тока в нагрузке (кремниевом стержне) осуществляется блоком силовых транзисторов Т, управляемых трехфазным широтно-импульсным модулятором (ШИМ) 10 через драйвер 8. Величина тока в нагрузке зависит от формы импульса управления транзистором. Чем больше по времени импульс на открытие транзистора, тем больше ток в нагрузке. Продолжительность импульса зависит от величины задания по току и выбранной несущей частоты. В ручном режиме управления величина тока задается с пульта оператора 9 нажатием соответствующих кнопок управления на экране монитора, а в автоматическом режиме величина тока определяется программным регулятором по заданной температуре поверхности стержня. Несущая частота ШИМ выбрана 15 кГц, что обеспечивает практически полное отсутствие шумов преобразователя в звуковом диапазоне, обеспечивает эффективный разогрев поверхности стержней. Работа трехфазного ШИМ поясняется на Фиг.4. На эпюре 1 показан исходный широтно-импульсный сигнал управления транзисторами.
На эпюрах 2, 3 и 4 показаны токи транзисторов ТA, ТB и ТC. На эпюре 5 показан ток через нагрузку - кремниевых стержнях. Выбор трехфазного управления силовыми транзисторами позволил снизить тепловую нагрузку на каждый транзистор.
Кремниевый стержень канала нагрузки (Фиг.5) состоит из трех специально подготовленных (легированных) кремниевых стержней 11, 12 и 13 включенных последовательно. В стартовом режиме, когда кремниевые стержни холодные и сопротивление каждого из них около 25 Ом, включается схема стартового разогрева стержней. При этом включаются контакторы К5 и Кб, которые шунтируют две стержня из трех. Происходит нагрев и «пробой» стержня 13 рабочим напряжением преобразователя. Сопротивление се в этом состоянии становится на порядок меньше. Соответственно падает и напряжение на нем. Далее выключается коммутатор Кб. К устройству подключается второй стержень 12. Происходит разогрев и пробой второго стержня совместно с первым. Затем выключается коммутатор К5. К устройству подключается третий стержень 11. Происходит его разогрев и «пробой». Таким образом, для стартового разогрева стержней не требуется дополнительный высоковольтный источник питания или специальная схема разогрева кремниевых стержней. После теплового «пробоям стержней и доведения их до необходимой температуры начинается технологический процесс выращивания кремния.
В ходе технологического процесса по выращиванию кремниевых стержней, по мере роста их диаметра, происходит снижение их сопротивления и, следовательно, снижение падение напряжения на стержнях. При достижении напряжения на стержнях менее 500 В, производится переключение контакторов К2-К4 в блоке силовых выпрямителей (Фиг.1) и выпрямители переключаются в режим параллельного включения двух выпрямителей по 500В. На входе регулятора-преобразователя устанавливается напряжение 500В. В этом режиме снижается нагрузка на диоды силовых выпрямителей, снижаются тепловые потери на силовых транзисторах без снижения тока на кремниевых стержнях.
Заявляемое устройство обеспечивает высокую степень использования электрической энергии за счет подачи на стержни переменного тока высокой частоты и в связи с этим большего разогрева поверхности стержня.
В зависимости от размеров реактора водородного восстановления полихлорсиланов, устройство может содержать несколько каналов нагрузки с кремниевыми стержнями и соответственно несколько каналов регулируемого нагревания кремниевых стержней.
Устройство для регулируемого нагревания кремниевых стержней, содержащее силовой трансформатор, к вторичным обмоткам которого через блок коммутации подключена группа полупроводниковых выпрямительных мостов, и блок импульсно-фазового управления и регулирования тока, включенный последовательно с кремниевыми стержнями, отличающееся тем, что в силовом блоке исключена дроссельно-конденсаторная схема сглаживания тока и высокочастотный ток напрямую подается на кремниевые стержни.
