蘇振源，韋壽祺，王宗坤，劉志杰，朱思思，費 翔

(1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林 541004;2.桂林獅達機電技術工程有限公司，廣西桂林 541004)

多晶硅作為制造各種集成電路、半導體器件的主要原料，是發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的基礎。尤其是在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)方面，多晶硅已成為最主要的太陽能電池材料，其具有生長能耗少、利用率高、成本相對較低等優(yōu)點。但多晶硅存在較高的雜質含量是制約發(fā)展的主要因素，因此，提純多晶硅已成為亟待解決的問題。當前多晶硅的制備提純方法主要有西門子法、硅烷法、高純碳還原法、冶金法等［1］。其中冶金法是指采用物理手段，利用各種材料的不同熔點，通過高速電子轟擊原料時所產(chǎn)生的熱能來進行熔煉和提純的方式。此種方式是集合了真空物理、材料科學、電力電子技術、計算機和控制技術等多種技術于一體的高科技產(chǎn)品，此外還具有無耐火材料、對環(huán)境無污染和節(jié)約能源等優(yōu)點。目前大部分電子束熔煉爐都采用晶閘管交流移相調壓，其設備功率因素、運行效率、對變壓器的利用率均較低，輸出的直流高壓紋波較大，降低了電子束在電子槍中的流通率。此種調壓方式雖具有技術成熟、線路簡單、調節(jié)方便等優(yōu)點，但也有明顯缺陷［2］。

因此本文提出一種新型的高壓電源結構，其采用輸出電壓閉環(huán)控制，由三相市電供電，利用可控電抗器的工作狀態(tài)來調節(jié)輸入升壓變壓器的一次側電壓。經(jīng)升壓、整流后，對輸出直流高壓進行采樣，并將采樣信號作為負反饋信號，通過計算機控制系統(tǒng)控制三相可調電抗器直流控制繞組的電流，進行自動調節(jié)，使電子束熔煉爐高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。

1 高壓電源結構及其工作原理

電子束熔煉爐高壓電源的結構原理如圖1所示，其主要由三相可控電抗器、電流變送器、升壓變壓器、十二脈波整流電路、高壓濾波與扼流電路、Buck電壓調節(jié)電路、計算機控制系統(tǒng)及其外圍輔助電路組成。

圖1 高壓電源結構原理圖

1.1 三相可控電抗器

三相可調電抗器是由3個結構相同的單相可調電抗器組成的，每個單相可調電抗器的鐵心為三柱式結構，左右呈對稱結構，左右兩側的鐵心柱截面面積與上下兩側的軛鐵心截面面積相同，但以上2組截面面積均小于中心的鐵心柱截面面積;單相可調電抗器的交流繞組在中心的鐵心柱上，單相可調電抗器的直流控制繞組對稱繞在左右兩側鐵心柱上，其結構如圖2所示。可控電抗器是一個具有附加直流激磁，帶鐵心的交流電路，直流激磁起控制作用，因此直流繞組又稱控制繞組Nk，交流繞組與工作負載相接，因此，交流繞組又稱工作繞組Ng。

圖2 三相可控電抗器結構圖

在交流輸入電壓一定時，交流繞組的感抗值X由下式可確定

式中，ω=2πf表示角頻率;Sc表示鐵心截面積;Lt表示磁路平均長度;μ表示鐵心磁導率;μo表示空氣磁導率;N表示繞組匝數(shù)。

可控電抗器就是利用鐵心材料磁化曲線的非線性關系，通過直流控制繞組的電流改變鐵心的磁飽和度，從而達到平滑調節(jié)交流繞組電抗值的目的。在交流繞組產(chǎn)生的磁通基礎上，增加一個直流分量

式中，φk表示控制繞組產(chǎn)生的直流磁通量，φg(ωt)表示交流磁通量。若直流磁通量處在磁通曲線的負半周，直流磁通的方向應是反方向，即

假設直流控制回路中串聯(lián)較大阻抗，交流側感應電動勢忽略不計?？煽仉娍蛊鞯墓ぷ髂Ｊ接袃煞N，設輸入的交流電壓固定不變:(1)Ik為0，直流磁通φk為0，X最大，Ig最小，相當于變壓器的空載運行。(2)Ik一定時，鐵心中磁感應既有直流分量，又有交流分量。由于這兩部分的疊加作用，鐵心進入磁飽和階段，因此，交流磁場強度增大，鐵心的磁導率下降，X變小。

由上可知，鐵心中交流繞組的感抗值X與磁導率μ有關，X隨著控制電流Ik而變化，磁場強度H越大，鐵心越飽和，μ越小，X也越小。因此說明直流磁通量的大小直接影響著磁飽和度［3］。

1.2 線性電抗器的作用

三相電路不對稱，在三相可調電抗器直流控制繞組中將會感應出交流電，產(chǎn)生變壓器效應，從而降低三相可調電抗器的閃變抑制效果，為彌補這一缺陷，因此在三相可調電抗器的直流控制繞組回路中串聯(lián)一個線性電抗器L2?？蛰d或輕載運行時，三相可調電抗器的控制直流較小，鐵芯淺度飽和或工作于線性區(qū)圖3中的S點，交流繞組流過的交流電流較小，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯進入深度飽和，磁路呈現(xiàn)出較小的磁阻，穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應電動勢均較大，電網(wǎng)電壓有部分消耗在三相可調電抗器的交流繞組上。圖3為可控電抗器運行磁通變化圖。

圖3 可控電抗器運行磁通變化圖

1.3 Buck電壓調節(jié)電路

Buck電壓調節(jié)電路與低壓整流電路為三相可控電抗器的直流控制繞組提供直流電。Buck電壓調節(jié)電路主要包括功率開關管V和低壓續(xù)流二極管D1，功率開關管的基極與高壓驅動電路的輸出端相接，低壓續(xù)流二極管的陽極與陰極分別接在三相可調電抗器直流控制繞組L1的兩端，其電路如圖4所示。

圖4 Buck電壓調節(jié)電路

2 技術特點

2.1 穩(wěn)態(tài)工作模式

圖4為典型BUCK電路。假定電子器件為理想的，BUCK電路有兩種可能的工作模式，分別為電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷流模式(DCM)。設d為T通斷占空比，VS和VO分別為輸入和輸出電壓，則兩種模式的VO和VS、d的關系分別為

式中，IO滿足電流連續(xù)條件，BUCK電路工作在電感電流連續(xù)模式［5］。

2.2 自然限流特性

三相可調電抗器通過對稱電流時，根據(jù)對稱三相電路特性，三相可調電抗器的直流控制繞組總的感應電動勢為0，因此三相可調電抗器中交流繞組的電流不會影響直流控制繞組的電流變化。改變三相可調電抗器中直流控制繞組的電流，使得三相交流繞組每相等效電抗按同樣的規(guī)律變化。額定運行時，直流控制繞組產(chǎn)生一個較強的直流磁場，使鐵心深度飽和(圖3中Q點)，交流繞組流過的額定電流，通過交流繞組所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯退出飽和，使磁路呈現(xiàn)出較大的磁阻，穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應電動勢均較小，電網(wǎng)電壓幾乎全加在升壓變壓器的一次側繞組上。若電子束熔煉爐在運行過程中，一旦產(chǎn)生放電現(xiàn)象，相當于高壓電源發(fā)生短路故障，則較大的短路電流流過三相可調電抗器交流繞組，

由以上兩式可知，CCM模式的變量關系簡單;DCM 模式，VO與 VS、d、R、L、f等呈非線性關系。

通常工作情況下，一般負載電流IO大于臨界CCM電流 IOK，即使得每個單相可調電抗器的兩側鐵芯柱在正負半周交替退出飽和區(qū)，三相可調電抗器呈現(xiàn)出較大電抗，從而限制短路電流，使得三相可調電抗器具有限流特性。由式(1)可知，短路故障時，μ立即升高，X迅速增大，可控電抗器呈現(xiàn)大阻抗。

3 控制系統(tǒng)及控制方式

3.1 控制原理

電源采用市電工頻交流輸入→三相可控電抗器調壓→三相升壓變壓器升壓→高壓整流濾波的電流變換方式輸出的技術路線;對輸出的直流高壓進行高壓取樣，得到高壓采樣信號，并與計算機控制單元輸出的高壓給定信號一同輸入比較器，將高壓采樣信號與高壓給定信號做比較得到高壓偏差信號送入高壓調節(jié)器;高壓調節(jié)器為比例積分調節(jié)結構，將接收到的高壓偏差信號進行比例—積分運算后輸出控制信號，送入驅動電路調節(jié)三相可控電抗器直流控制繞組的直流供電電源中功率管的占空比，從而控制三相電抗器中直流繞組電流，使電抗器中磁阻發(fā)生變化，讓穿過交流繞組的磁通量及交流繞組兩端的感應電動勢發(fā)生改變，進行自動調節(jié)電壓，使高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。計算機控制系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 計算機控制系統(tǒng)結構

3.2 PID控制器設計

三相供電電壓通常存在±20%的波動，經(jīng)整流過后的電壓也至少存在一定的波動。此外，12脈波整流也使電壓存在固有的脈動和紋波?？刂葡到y(tǒng)設計的任務是抑制電壓波動和整流固有紋波對輸出電壓的影響。系統(tǒng)采用負反饋的控制結構，控制器采用PID結構，即

考慮到系統(tǒng)固有紋波對控制環(huán)節(jié)的影響，采用PI控制器，其控制電路如圖6所示。

圖6 PI控制器電路

3.3 PID參數(shù)整定

無論線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，PID參數(shù)的整定在工程上均相同，即從純P控制的階躍響應出發(fā)，根據(jù)一定規(guī)則，獲取合適的P控制，再根據(jù)此P控制確定其他控制參數(shù)。在此，以臨界比例法為基礎，對參數(shù)進行獲取。

(1)臨界比例控制。設K*P為臨界比例控制，令KI=KD=0，得到純P的控制特性，由控制特性確定K*P的值。

(2)以臨界比例控制K*P為基礎，將K*P減少，加入積分控制，得到動、靜態(tài)效果最好時，確定KP和KI。

在高速PWM電路中，一般采用模擬PID控制器，考慮到放大器的穩(wěn)定工作及干擾的抑制，采用兩級放大?？刂齐娐穮?shù)需要滿足式(6)的要求

根據(jù)運放的穩(wěn)定性與安全性原則，應盡量均勻分配兩級放大倍數(shù)［6］。

4 實驗結果

根據(jù)設計方案，建立30 kV，300 kW電子束高壓電源進行樣機測試。圖7所示為空載時升壓變壓器一次側輸入電壓波形VS與輸出電壓波形VO。在設定高壓30 kV，束流10 A時，升壓變壓器一次側輸入電壓波形VS與輸出電壓波形VO如圖8所示，輸入電壓近似為正弦波，輸出電壓保持在一定范圍之內。實驗結果表明，該控制系統(tǒng)能精確可靠地調節(jié)和輸出穩(wěn)定高壓，且對各種故障能準確判斷并及時采取相應措施，滿足各項設計指標。

圖7 空載時輸入輸出波形

圖8 負載時輸入輸出波形

5 結束語

實驗結果表明，采用上述控制方式可獲得良好的性能，主要有:(1)串聯(lián)三相可控電抗器具有自然限流特性，且響應快，能夠快速抑制高壓放電。(2)升壓變壓器的輸入電壓近似為正弦波，減少了電壓輸入時所含的高次諧波。(3)采用三相可控電抗器，控制靈活、穩(wěn)定性好、可靠性高、結構簡單、維護方便，同時實現(xiàn)了輸入內阻小，短路內阻大，能夠抑制過電壓，抑制諧波，并提高功率因數(shù)。(4)高壓整流電路采用12脈波整流，提高了電源的運行效率，且降低了電源運行時對電網(wǎng)產(chǎn)生的“公害”。

［1］姜大川.電子束熔煉提純多晶硅的研究［D］.大連:大連理工大學，2012.

［2］張劍.冶金提純法制備太陽能級多晶硅研究［D］.大連:大連理工大學，2009.

［3］蔡宣三，高越農(nóng).可控飽和電抗器原理、設計與應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［4］陳堅，康勇.電力電子學 －電力電子變換和控制技術［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［5］莫金海，韋壽祺，何少佳，等.新型PWM－BUCK電子束焊機穩(wěn)定高壓電源的設計［J］.焊接學報，2009，30(6):34－37.

［6］莫金海，韋壽祺，何少佳，等.人造金鋼石加熱系統(tǒng)分析及其精密交流調功器設計［J］.人工晶體學報，2009，38(3):612－618.