提高單晶爐加熱電源控制電路精度的研究

摘 要：對提高晶閘管移相觸發控制電路精度的方法進行深入研究。該設計采用先進的數字化電源控制技術，即基于16位單片機實現電源整流移相觸發控制精度的提高。對3個主要功能電路的組成及其工作原理進行分析和仿真驗證。結果表明系統的控制精度得到提高，并能夠實現對電源輸出功率的實時自動調節。

關鍵詞：單晶爐；電源；觸發電路；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

隨著電子行業的飛速發展，更多以電子技術為依托的領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備——大功率單晶硅直流加熱電源，也因此具有更加廣泛的應用，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提出了更高的要求。

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

2 系統技術指標 

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，輸出電流為0～3 000 A。其輸出的能量可直接為單晶爐內的石墨加熱器供熱，控溫精度要求達到±0 ℃，而精確的輸出、檢測是實現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格要求。

3 系統硬件構成 

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、集成觸發芯片C787、熔斷器、電壓、電流互感器和其他輔助設備與電路。微機控制單晶爐直流加熱電源是將三相工頻交流電經過降壓后，通過V1～V6這6個大功率晶閘管構成的三相全控整流橋整流成電壓可調的脈動直流，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的控制核心，輔助擴展了用于存儲預設工藝參數的2864E2PROM，2764ROM，6264RAM，可編程邏輯陣列GAL16V8，8位D/A轉換芯片DAC0832，以及12位A/D轉換芯片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調與外設之間的工作、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參數的預置、在線修改及數據的實時顯示、故障記錄等功能，系統在過流、過壓、過熱的情況下還可以自動聲光報警。電源系統的原理圖如圖1所示。

32 C787的特性和功能

晶閘管專用觸發芯片C787可以提供完全獨立的6路觸發脈沖，單電源供電，穩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，輸出導通角愈大；第腳為輸出保護端，當第腳電位≥12 V，6路脈沖全部被封鎖，系統處于保護狀態，當第腳電位≤3 V時，系統正常工作；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A，-C，B，-A，C，-B的觸發脈沖；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個電容相對誤差應控制在%以內[2]。

4 提高觸發控制精度的電路分析

盡管我國的晶體生長設備的自動化程度有了很大提高，但是在常規的直拉法溫度控制環節的設計上還存在以下問題：控制回路多為簡單閉環控制，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；對功率的手動調節常滯后于系統對溫度的實時要求。所以本文著重從同步電壓獲取、移相觸發控制和閉環控制3個主要電路上做出改進，使設備的可靠性、精確性和智能性從整體上得到提高。

41 同步電壓獲取電路

本設計根據主回路變壓器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，仍可以在調節電位器和改變濾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。該設計中同步電壓取為30 V，對稱性可由電位器R₁調節，同步電壓的零點設計為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，該相交點經集成電路內部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證相交惟一穩定，然后該相交信號再與脈沖發生器輸出的脈沖信號經脈沖形成電路處理后變為與三相同步信號相位相對應，且與移相電壓相適應的脈沖信號送到脈沖分配器，輸出的脈沖觸發達林頓集成芯片ULN2803，形成6路峰值為24 V的強觸發脈沖，該信號再經脈沖變壓器隔離，最終輸出的雙觸發脈沖可以可靠地觸發系統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，在設計上更為緊湊、合理，電路觸發更為精確、可靠。

42 移相觸發控制電路

移相觸發控制電路的工作原理：單片機將預定的電壓輸出值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，輸出導通角α愈大，該控制電壓經單片機在晶閘管專用觸發芯片C787的4腳形成強觸發脈沖，達到輸出多路同步導通，以此來控制可控硅的導通時刻，從而使整流橋輸出可變的直流電壓[2]；且整流橋的觸發脈沖同步信號取自負載回路，所以在負載回路參數發生變化時，該裝置通過內置于數字控制器的PID算法，自動調節整流橋的觸發角α以改變整流橋的輸出電壓，最終達到平滑調節電源輸出功率的目的。控制電路硬件結構框圖如圖4所示。

43 雙閉環控制電路

系統電氣控制部分的設計采用雙閉環反饋控制結構(如圖4所示)。這種控制結構與單回路控制系統的顯著區別是，它在結構上形成2個閉環，一個閉環在里面，稱為副回路。采用該種控制結構，可以抑制控制系統的干擾，對負荷和操作條件的變化適應性強，控制質量高。這種結構不但可以將實時采集的電壓信號輸入到相加器中，對系統給定的電壓信號V_out進行修正，同時還可以反饋到A/D轉換電路，通過單片機進行分析處理。單片機利用系統現場反饋回來的電壓、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，都可以調用預先設定在程序存儲器中的子程序對預設的[LL]輸出電壓值V_out進行自動調節。并且80C196 kB 具有12 Mz的工作頻率，可以達到對數據的實時處理，確保了系統調節與顯示的實時性、同步性。

結 語

通過應用模擬電路及微機控制技術實現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計。在設計過程中，采用單片集成電路C787作為三相全橋可控硅電路的觸發芯片，縮小了設備的體積，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

［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觸發塊的特點及其在單晶爐控溫中的應用［J］電子工業專用設備，2001，3(1):34[CD2]37［3］董業莊相位控制電路C787和C788的研究及其應用［J］電力電子技術，1994(3):41[CD2]49

[4]劉潤，譚薇，程榮貴一種高精度數控直流源的設計[J]現代電子技術，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與自動化裝置。[J]