摘 要：對提高晶閘管移相觸發(fā)控制電路精度的方法進(jìn)行深入研究。該設(shè)計采用先進(jìn)的數(shù)字化電源控制技術(shù)，即基于16位單片機實現(xiàn)電源整流移相觸發(fā)控制精度的提高。對3個主要功能電路的組成及其工作原理進(jìn)行分析和仿真驗證。結(jié)果表明系統(tǒng)的控制精度得到提高，并能夠?qū)崿F(xiàn)對電源輸出功率的實時自動調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：單晶爐；電源；觸發(fā)電路；16位單片機

Research on Improving the Precision of Control Circuit in Crystal Puller eating Power upply

U Jiewei，ZOU uanyin，MENG Yan

(Institute of Chemical Defense，Beijing，10220，China)

Abstract：A new method of improving the output precision in the thyristor phase[CD2]shifting trigger control circuit is lucubratedIn this design，a kind of advanced digital power supply control technique is adopted，through 16 b single chip computer powerful control function to improve the system′s control precisionhree important circuits are expounded with both theoretical analysis and part of simulationhe results show that the power supply system is able to achieve output power′s real[CD2]time self[CD2]regulation，and the control precision is better

Keywords：crystal puller;power supply;trigger circuit;16 b single chip computer

1 引 言

隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，更多以電子技術(shù)為依托的領(lǐng)域開始加大對單晶硅的需求[1]。作為單晶生長過程中提供熱源的主要設(shè)備——大功率單晶硅直流加熱電源，也因此具有更加廣泛的應(yīng)用，但同時也對單晶硅加熱電源的實時性、智能性及可靠性的開發(fā)提出了更高的要求。

區(qū)別于以往的純模擬電路構(gòu)成的大功率單晶爐直流加熱電源，在體積大、噪聲高、無參數(shù)顯示、無初值設(shè)置的情況下，本文以ZLD[CD2]80直拉單晶硅爐的電源加熱系統(tǒng)為例，介紹該系統(tǒng)數(shù)字化的硬件設(shè)計思想，以及本設(shè)計在提高整流移相觸發(fā)控制精度上采用的新方法。

2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 

單晶爐加熱電源是一種大功率直流電源，要求輸出功率100 kW，輸出電壓為0～7 V可調(diào)，輸出電流為0～3 000 A。其輸出的能量可直接為單晶爐內(nèi)的石墨加熱器供熱，控溫精度要求達(dá)到±0 ℃，而精確的輸出、檢測是實現(xiàn)高精度溫度控制的有效途徑，所以只有盡可能地使電源的輸出精確才能滿足單晶在生長階段對溫度的嚴(yán)格要求。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 

31 微機控制單晶爐直流加熱電源硬件組成

電源的模擬電路部分主要包括大功率電力變壓器、晶閘管、集成觸發(fā)芯片C787、熔斷器、電壓、電流互感器和其他輔助設(shè)備與電路。微機控制單晶爐直流加熱電源是將三相工頻交流電經(jīng)過降壓后，通過V1～V6這6個大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控整流橋整流成電壓可調(diào)的脈動直流，再通過平波電抗器將脈動的直流濾波變成光滑平穩(wěn)的直流電供給單晶爐石墨加熱器的。

單晶爐的電氣控制部分則是以80C196KB單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制核心，輔助擴展了用于存儲預(yù)設(shè)工藝參數(shù)的2864E2PROM，2764ROM，6264RAM，可編程邏輯陣列GAL16V8，8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，以及12位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197，完成R 48通信的MAX 48等芯片，利用主CPU強大的邏輯運算功能和控制功能很好地協(xié)調(diào)與外設(shè)之間的工作、與上位機的通信，以及對檢測到的各種電信號的運算處理。鍵盤/液晶顯示電路則可以實現(xiàn)參數(shù)的預(yù)置、在線修改及數(shù)據(jù)的實時顯示、故障記錄等功能，系統(tǒng)在過流、過壓、過熱的情況下還可以自動聲光報警。電源系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

32 C787的特性和功能

晶閘管專用觸發(fā)芯片C787可以提供完全獨立的6路觸發(fā)脈沖，單電源供電，穩(wěn)定性和可靠性都大大提高。其中第1，2，18腳輸入10～1 000 z，0～VDD(V)同步電壓，4腳的移相電壓為02～13 V，移相極性為移相電壓增加，輸出導(dǎo)通角愈大；第腳為輸出保護(hù)端，當(dāng)?shù)谀_電位≥12 V，6路脈沖全部被封鎖，系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)?shù)谀_電位≤3 V時，系統(tǒng)正常工作；第6腳為半控單脈沖、全控雙脈沖選擇端；第7~12腳分別輸出觸發(fā)A，-C，B，-A，C，-B的觸發(fā)脈沖；第13腳接電容CX確定輸出脈沖的寬度，電容越大脈沖越寬；第14~16腳接的積分電容，為保證鋸齒波的一致性，3個電容相對誤差應(yīng)控制在%以內(nèi)[2]。

4 提高觸發(fā)控制精度的電路分析

盡管我國的晶體生長設(shè)備的自動化程度有了很大提高，但是在常規(guī)的直拉法溫度控制環(huán)節(jié)的設(shè)計上還存在以下問題：控制回路多為簡單閉環(huán)控制，抗干擾能力弱，控制精度低；控制電路均為模擬電路，自動化程度不高；對功率的手動調(diào)節(jié)常滯后于系統(tǒng)對溫度的實時要求。所以本文著重從同步電壓獲取、移相觸發(fā)控制和閉環(huán)控制3個主要電路上做出改進(jìn)，使設(shè)備的可靠性、精確性和智能性從整體上得到提高。

41 同步電壓獲取電路

本設(shè)計根據(jù)主回路變壓器Δ/Y11連接方式將同步變壓器接成Y/Y10。圖2僅為同步電壓獲取電路中的一路(共三路)。作為三相全波整流，要求三相同步變壓器接法與主回路同步，采用該種連接方式后可以使同步電壓較主電路電壓超前30°，這樣在同步電壓經(jīng)過阻容低通濾波電路后，即使帶來相位上約4°的滯后，仍可以在調(diào)節(jié)電位器和改變?yōu)V波電容值的方式下確保獲取的同步電壓信號與主回路的三相電壓同步，三相同步電壓獲取電路見仿真圖3所示。該設(shè)計中同步電壓取為30 V，對稱性可由電位器R₁調(diào)節(jié)，同步電壓的零點設(shè)計為1/2電源電壓，以滿足C787在單電源供電的情況下，8～18 V的電壓范圍(電路輸入端同步電壓峰值不宜大于電源電壓)，然后將同步信號用無極電容耦合到C787的第1，2，18腳，再通過C787內(nèi)部的過零檢測和極性檢測單元檢測出零點和極性后，作為內(nèi)部3個恒流源的控制信號；3個恒流源輸出的恒值電流給3個等值電容C_a，C_b，C_c(電容的相對誤差要小于%)［2］恒流充電，由于采用集中式恒流源，所以誤差極小，產(chǎn)生的鋸齒波具有良好的線性[3]。鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相電壓V_r比較后取得相交點，該相交點經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證相交惟一穩(wěn)定，然后該相交信號再與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三相同步信號相位相對應(yīng)，且與移相電壓相適應(yīng)的脈沖信號送到脈沖分配器，輸出的脈沖觸發(fā)達(dá)林頓集成芯片ULN2803，形成6路峰值為24 V的強觸發(fā)脈沖，該信號再經(jīng)脈沖變壓器隔離，最終輸出的雙觸發(fā)脈沖可以可靠地觸發(fā)系統(tǒng)整流部分采用的大功率晶閘管。該部分減少分離元件的使用，更多的采用了集成芯片，在設(shè)計上更為緊湊、合理，電路觸發(fā)更為精確、可靠。

42 移相觸發(fā)控制電路

移相觸發(fā)控制電路的工作原理：單片機將預(yù)定的電壓輸出值V_out以給定信號的形式通過DAC1208輸出，在相加器中與反饋的電壓信號V_in疊加后，形成移相控制電壓V_r，電壓范圍為02～13 V，移相極性為移相電壓增加，輸出導(dǎo)通角α愈大，該控制電壓經(jīng)單片機在晶閘管專用觸發(fā)芯片C787的4腳形成強觸發(fā)脈沖，達(dá)到輸出多路同步導(dǎo)通，以此來控制可控硅的導(dǎo)通時刻，從而使整流橋輸出可變的直流電壓[2]；且整流橋的觸發(fā)脈沖同步信號取自負(fù)載回路，所以在負(fù)載回路參數(shù)發(fā)生變化時，該裝置通過內(nèi)置于數(shù)字控制器的PID算法，自動調(diào)節(jié)整流橋的觸發(fā)角α以改變整流橋的輸出電壓，最終達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電源輸出功率的目的。控制電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

43 雙閉環(huán)控制電路

系統(tǒng)電氣控制部分的設(shè)計采用雙閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。這種控制結(jié)構(gòu)與單回路控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，它在結(jié)構(gòu)上形成2個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，稱為副回路。采用該種控制結(jié)構(gòu)，可以抑制控制系統(tǒng)的干擾，對負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強，控制質(zhì)量高。這種結(jié)構(gòu)不但可以將實時采集的電壓信號輸入到相加器中，對系統(tǒng)給定的電壓信號V_out進(jìn)行修正，同時還可以反饋到A/D轉(zhuǎn)換電路，通過單片機進(jìn)行分析處理。單片機利用系統(tǒng)現(xiàn)場反饋回來的電壓、電流值計算出即時的平均功率值P(P=UIcosθ，對于純阻性負(fù)載cosθ=1)，再送LCD顯示，工作人員就可以隨時查看輸出功率，看其能否滿足單晶生長過程中某些特定階段對溫度精度提出的要求，如果該值過大或者過小，都可以調(diào)用預(yù)先設(shè)定在程序存儲器中的子程序?qū)︻A(yù)設(shè)的[LL]輸出電壓值V_out進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。并且80C196 kB 具有12 Mz的工作頻率，可以達(dá)到對數(shù)據(jù)的實時處理，確保了系統(tǒng)調(diào)節(jié)與顯示的實時性、同步性。

結(jié) 語

通過應(yīng)用模擬電路及微機控制技術(shù)實現(xiàn)了對于控溫精度要求很高的ZLD[CD2]80型直拉單晶硅爐加熱電源的電氣控制部分的設(shè)計。在設(shè)計過程中，采用單片集成電路C787作為三相全橋可控硅電路的觸發(fā)芯片，縮小了設(shè)備的體積，提高了整機壽命；同時利用80C196KB強大的處理能力，以及擴展的鍵盤/顯示電路、通信電路等組成了該電源的智能控制部分，這樣不但使得該加熱電源在操作上更加簡單方便，而且還使其具有了更高的實時性與精確性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］MillindKulkarniA elective Review of the Quantification of Defect Dynamics in Growing Czochralski ilicon Crystals［J］MEMC Electronic Materials，200，44(16):6 246[CD2]6 263

［2］梁秀梅，于平義C787觸發(fā)塊的特點及其在單晶爐控溫中的應(yīng)用［J］電子工業(yè)專用設(shè)備，2001，3(1):34[CD2]37［3］董業(yè)莊相位控制電路C787和C788的研究及其應(yīng)用［J］電力電子技術(shù)，1994(3):41[CD2]49

[4]劉潤，譚薇，程榮貴一種高精度數(shù)控直流源的設(shè)計[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(7):13[CD2]137

作者簡介 胡潔微 女，1980年出生，遼寧營口人，碩士研究生。主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。[J]