淺談高頻干擾對硅芯爐的影響及防護措施

吳 斌，姚 婕，雷小博

(西安理工晶體科技有限公司，陜西西安710077)

早期的硅芯爐單爐次只能拉制1根硅芯，其母料一般為準28～準40 mm，高頻電源的振蕩頻率通常是2.1～2.3 MHz。隨著多晶硅產能的不斷提高，新型的硅芯爐具備每爐次拉制15～21根準8～準10 mm硅芯棒的能力，這樣的產量需要的母料規格一般都在準80～準110 mm之間，如果還用原來高頻電源的振蕩功率和振蕩頻率來熔料，效率非常低。由于高頻的振蕩頻率越高，母料表面的集膚效應越強，化料速度越快。故現在的高頻電源都將自身的振蕩頻率提高到2.8～3.0 MHz，以便熔化大直徑的母料。隨著振蕩頻率的升高，高頻噪聲在硅芯爐運行時的干擾作用也就越來越明顯。輕則影響電氣儀表的顯示，重則影響硅芯爐速度系統，導致拉制出非等徑的硅芯棒。可以說高頻干擾是硅芯爐能否穩定運行的一道難題。

1 高頻噪聲對硅芯爐電氣系統的干擾和危害

高頻噪聲分為兩種傳播方式。一種為傳導方式，另一種為空間輻射方式。傳導方式是指高頻噪聲通過導線、地線等導體進入到被干擾設備，影響其正常工作。而空間輻射是高頻噪聲在空氣中以“場”傳播，對電氣設備及其元件進行干擾。

1.1 高頻噪聲對交流供電系統及其相關電氣元件的干擾

高頻電源不但是高頻電磁發生源，同時也是一個高次諧波發生器，這是因為高頻設備普遍使用可控硅整流技術，整流過程中會產生5、7、11……等高次諧波。這種高次諧波串入電網使得電網電壓和電流發生畸變。硅芯爐電氣控制柜使用的是AC 220 V/50 Hz電源與高頻電源在同一配電網絡（見圖1）。高次諧波隨配電線路進入電氣控制柜內部。部分電氣元件由于內部沒有良好的濾波裝置則受干擾十分明顯。例如用于硅芯棒計長的頻率計數器受到電源中高頻干擾，無法正常工作，表頭數字顯示呈現不規則計數，甚至亂跳字現象導致拉晶人員無法判斷當前的晶體生長情況。帶有指示燈的按鈕在高頻干擾下，會出現指示燈自動點亮的現象。操作人員不能正確判斷按鈕工作狀態。

圖1 高頻電源與電氣控制柜連線圖

1.2 高頻噪聲對直流供電系統及其相關電氣元件的干擾

硅芯爐電氣控制柜的直流系統是由工頻電壓，通過開關電源變換到DC 24 V、DC 5 V，繼而給PLC、繼電器、編碼器等元件供電。由于交流線路上本身就存在干擾，通過導線干擾也會傳到開關電源。同時開關電源本身就是高頻設備，更加容易受到高頻噪聲干擾。生成的直流電源中雜波很多。具體現象為：在沒開啟高頻電源的情況下，所有電氣元件都可以正常使用，但是高頻電源開啟，某些直流供電元件就無法正常使用甚至被損壞。舉例來說，爐體上面有大量直流供電的測量傳感器，如水流量計和壓力計等，在高頻開啟后傳輸倒PLC的A/D模塊的數據跳動很大，基本無法參考。甚至有些傳感器工作一段時間后電源損壞。

1.3 通過空間和傳導干擾信號線

設備爐體接線復雜且線距長，高頻噪聲通過空間干擾信號線傳輸。信號線傳輸的都是低頻弱信號，一旦受到干擾，數據采集就不準確。TDL-GX36-5型硅芯爐提拉頭的晶升電機采用的是7 V，1 000 r/min的測速電機來反饋信號，一般正常拉晶時的測速電機輸出的電壓只有幾十毫伏，這樣的信號經過長距離傳輸且在高頻噪聲環境下，傳回PLC后，十分不準確也不穩定。高頻噪聲對編碼器的脈沖信號也會產生干擾。通過示波器可以看出，高頻電源開啟后脈沖方波中存在很多雜波。這樣會使PLC計數模塊丟失脈沖。實際使用中確實存在實際計長與計數模塊產生的數據有偏差的情況。

1.4 高頻對設備地線的干擾

常用方式是高頻電源和電氣控制柜串聯，然后多套設備再并聯單點接地。往往此接地點就指在廠房內某一處的接地銅排。（見圖2）。高頻噪聲會增加接地線的接地阻抗。同時由于高頻電源和電氣控制柜的地電位不一樣，電氣控制柜的地電位會受到高頻電源工作電流的調制，高頻噪聲會通過地線耦合進電氣控制柜。而且每套設備相對接點地的距離不同。每套設備的地電位也不相同，互相干擾。產生的現象是近地點設備，干擾小一點，遠端的設備干擾隨距離增加而增加。

圖2 設備單點接地示意圖

2 防治措施

2.1 220 V電源系統

交流系統是高頻噪聲干擾的主要途徑，因此如何抑制電源系統的干擾就成為提高電氣設備抗干擾性能的一個重要課題。由于高頻電源和電氣控制柜在同一個配電線路，對此可以采用低通濾波器濾除高頻電源產生的高次諧波。濾波器種類很多，常采用的是T型，π型，L型以及他們的組合型。這些濾波器由于體積原因常安裝于高頻電柜內。圖3所示為幾種常用低通濾波器。

對于有條件的廠家在設計廠房時，最好是將高頻電源和電氣控制柜獨立配電，杜絕電源上面的傳導干擾。根據實際使用效果此方式的效果最好。

圖3 典型低通濾波器

2.2 直流供電系統

在采取第2.1的方案后可以切斷線路傳導干擾但是不能消除空間干擾對開關電源的干擾。空間干擾主要是從屏蔽的角度來解決，可以將開關電源置于一個屏蔽的空間內，屏蔽層與保護地連接。這樣就需要對電氣控制柜內部的結構有合理的布局。

同時可以采用線性電源來代替開關電源使用。線性電源外部全封閉屏蔽性好，輸出紋波小，對負載的干擾小。用它來代替開關電源后直流電源系統的質量得到提升，電氣元件可以正常工作。

2.3 信號線

電氣控制柜要正常運行，首先應正確無誤地檢測到被測信號，若信號受到嚴重干擾，導致信號難以辨識。尤其是1.3講到的電氣控制柜中多使用的直流和低頻信號且幅值都偏小。在高頻噪聲傳導干擾和輻射干擾的情況信號可能被淹沒于干擾之中，為了還原信號，可以采取以下措施：

（1）提高信號幅值。從抑制傳輸干擾角度看，提高信號幅值是一種簡單有效的方式，提高信號幅值相當于就提高了“信噪比”增強了信號在傳輸過程中的抗高干擾能力。前文提到的直流伺服測速電機反饋信號只有幾十毫伏的信號，可以通過提高傳動機構的減速比，提高伺服電機運行速度，從而提高測速電機反饋信號的強度。

（2）濾波裝置。對于低頻或直流信號還經常采用低通濾波器只讓低頻成分通過，而高于截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。比如在電機測速部分可以選取伺服電機配套的專用濾波器。

（3）屏蔽線纜。對于導線偏長，曝露在高頻噪聲之下的信號線，必須采用雙絞屏蔽導線，雙絞線互相絞合，導線上可以產生相反的電動勢，因此對外部干擾磁通的抑制較強。注意的是屏蔽層必須一點或者兩點接地。如圖4所示。

圖4 屏蔽層的2點接地

為了加強編碼器脈沖信號在高頻下抗干擾能力，可以采取更換編碼器輸出方式來增加抗干擾能力。原來設備上面基本采用的是采用集電極開路輸出方式，驅動能力差，一般只能傳輸4～5 m的距離。可采用線驅動輸出方式的編碼器，由于輸出采用RS-422標準具有高速、長距離的輸出特點。信號以差分式輸出，抗干擾能力強。同時也可以采用編碼器專用線傳輸。

2.4 設備合理接地措施

采用多點就近接地的方式，把高頻電源和電氣控制柜分別到低阻抗的接地點上（見圖5）。且每套設備有各自的接地點。接地電阻小于4 Ω。同時要根據設備的容量大小選擇合適的地線。高頻電源一般要選取36 mm2以上的接地線，電氣控制柜至少在16 mm2以上。

圖5 多點接地示意圖

3 小 結

以上簡單分析了高頻電源產生的高頻噪聲對于硅芯爐電氣元件產生的各種干擾，以及對各種干擾采取的措施。這些措施只是在一定的程度上降低了干擾的程度，達到使用的要求。要從根本上解決高頻干擾的問題還要在電氣元件的選型和電柜內部結構合理化上做大量工作。