摘  要：多晶硅是生產(chǎn)環(huán)保新能源——太陽(yáng)能光伏電池的zui基礎(chǔ)的材料。本文首先概述了多晶硅生產(chǎn)工藝及其實(shí)現(xiàn)方法，然后著重描述了多晶硅還原爐電源系統(tǒng)的一體化解決方案以及針對(duì)用戶(hù)的配套方案。
關(guān)鍵詞：多晶硅還原爐；電源系統(tǒng)；多晶硅生產(chǎn)工藝；太陽(yáng)能光伏電池；一體化解決方案
中圖分類(lèi)號(hào)：             文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：       文章編號(hào)：
1 引言

    *，硅材料是半導(dǎo)體工業(yè)，電子信息產(chǎn)業(yè)，太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)的zui重要、zui基礎(chǔ)的功能性材料。而在整個(gè)硅材料產(chǎn)業(yè)鏈中，多晶硅是zui重要的一環(huán)，也是制約我國(guó)硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸之一。多晶硅作為制備單晶硅的*原料和生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的材料，隨著近些年來(lái)單晶硅生產(chǎn)迅速增長(zhǎng)和光伏發(fā)電的環(huán)保能源的旺盛需求，使得多晶硅市場(chǎng)異?；鸨?。
    目前多晶硅生產(chǎn)技術(shù)主要有：改良西門(mén)子法、硅烷法和流化床法，從多晶硅生產(chǎn)的主要工藝技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，改良西門(mén)子工藝能夠兼容電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)，以其技術(shù)成熟、適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，仍是目前多晶硅生產(chǎn)普遍采用的工藝。但該技術(shù)主要被美、日、德等國(guó)壟斷，直到2000年左右才尋到機(jī)會(huì)，從俄羅斯引入，然后在有關(guān)研究院的努力下，形成了國(guó)內(nèi)自有技術(shù)，攻克了多晶硅制造及產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)性關(guān)鍵性問(wèn)題，使得大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。隨著多晶硅項(xiàng)目紅紅火火地展開(kāi)，也就將配套設(shè)備的相關(guān)問(wèn)題暴露了出來(lái)。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家分析，我國(guó)多晶硅在工業(yè)生產(chǎn)方面與*水平的差距主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：一是工藝、設(shè)備落后，導(dǎo)致物料與電力消耗過(guò)大；二是生產(chǎn)規(guī)模小；三是超高純產(chǎn)品難以獲得；四是成本沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。
    這樣一來(lái)大家都不得不注意到：方案及其設(shè)備的性能好壞直接影響著多晶硅生產(chǎn)的品質(zhì)和成本，同時(shí)對(duì)于設(shè)備能否長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠運(yùn)行以及設(shè)備后期維護(hù)的難度和效率也對(duì)生產(chǎn)影響深遠(yuǎn)。所以選擇一個(gè)好的方案，選擇一套性?xún)r(jià)比高的設(shè)備，選擇一個(gè)專(zhuān)業(yè)的、綜合實(shí)力雄厚的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)作的、服務(wù)響應(yīng)快捷的、不受關(guān)系劇烈動(dòng)蕩影響的、可靠的公司成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)的。
    在以下的章節(jié)中，將著重對(duì)多晶硅還原爐電氣系統(tǒng)的一體化解決方案及其設(shè)備性能進(jìn)行介紹，拋磚引玉以便有關(guān)企業(yè)共同探究。

2 各種解決方法
2.1  多晶硅生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述
    改良西門(mén)子法采用氫還原三氯氫硅的方式生產(chǎn)多晶硅。三氯氫硅還原在超低碳的不銹鋼或鎳基合金制成的水冷爐壁還原爐內(nèi)，用氫將三氯氫硅還原成硅。爐內(nèi)有不透明的石英鐘罩和用細(xì)硅芯或鉭管制成的發(fā)熱體。細(xì)硅芯是用超純硅在特制的硅芯爐內(nèi)制成。在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積之前，由于硅在常溫時(shí)電阻率很高，因此硅芯必須在石英罩外用電阻加熱至300℃或用幾千伏的高壓電啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)提純的氫氣在揮發(fā)器將三氯氫硅自爐底帶入爐內(nèi)，于1100℃左右進(jìn)行還原反應(yīng)，使硅沉積在發(fā)熱體上。由于諸多原因使硅的沉積速度較慢，一般不超過(guò)0.5mm/h，生產(chǎn)直徑為150～200mm的多晶硅棒需要一周乃至更多時(shí)間。

2.2  工藝實(shí)現(xiàn)的方法
    基于上述工藝可知，多晶硅生產(chǎn)首先需要啟動(dòng)，然后再進(jìn)行還原生長(zhǎng)。目前從行業(yè)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，還原生長(zhǎng)方法的差異主要在于電氣技術(shù)上（見(jiàn)第3.3.2節(jié)），而還原啟動(dòng)方法的差異較大：
    ◆外加熱方法
    由于硅在常溫時(shí)電阻率很高，不易導(dǎo)通，業(yè)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)廠家常采用 ①石墨加熱、②等離子加熱、③鹵素?zé)艏訜岬韧饧訜岱绞?，將還原爐爐溫加熱至300℃左右，還原電源輸出中壓，使硅芯導(dǎo)通，完成啟動(dòng)過(guò)程，然后繼續(xù)加熱進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，完成還原生長(zhǎng)。但以上啟動(dòng)方案或多或少存在：操作麻煩、起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、啟動(dòng)成功率低、影響硅純度、還原設(shè)備復(fù)雜等弊端。
    ◆電啟動(dòng)方法
    因此也有部分多晶硅生產(chǎn)廠家采用幾千伏的高壓電啟動(dòng)方式，由于是讓硅棒自身發(fā)熱，從而使其發(fā)熱內(nèi)外上下均勻、快速，同時(shí)可有效解決或緩解上述弊端：縮短啟動(dòng)時(shí)間、提高啟動(dòng)效率和成功率、減小還原電氣設(shè)備復(fù)雜程度。因此，高壓?jiǎn)?dòng)方式具有先天優(yōu)勢(shì)，對(duì)于高品質(zhì)的多晶生產(chǎn)是目前的一種*選擇。
    ■一體化方案
    廣大的多晶制造企業(yè)對(duì)各種啟動(dòng)方式的電氣設(shè)備和還原設(shè)備，并不十分熟悉，而且繁雜的方法和設(shè)備也給大家?guī)?lái)了不少困惑：不知道各種設(shè)備的可靠性、*性、成熟性、各子系統(tǒng)的相互匹配性以及如何搭配等等。這樣一來(lái)，對(duì)于能提供一體化解決方案的需求變得愈發(fā)重要，畢竟多晶項(xiàng)目的設(shè)備是相當(dāng)重要而且投入也是非常巨大的。

3 一體化解決方案
3.1 概述
    英杰電氣公司在成功開(kāi)發(fā)出單晶硅電源、多晶硅鑄錠電源的同時(shí)，積極探索多晶硅還原爐電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，于2007年底成功推出多晶硅還原爐電源系統(tǒng)的一體化解決方案。該方案的核心部份由高壓?jiǎn)?dòng)電源和還原電源組成，輔以切換柜、隔離柜、接地柜及上位DCS系統(tǒng)組成了整個(gè)電源系統(tǒng)，能夠成功完成多晶硅從啟動(dòng)到還原生長(zhǎng)的所有工藝控制過(guò)程。多晶還原在生產(chǎn)方式上分為9對(duì)棒、12對(duì)棒、18對(duì)棒、24對(duì)棒，這里主要介紹基于 12 對(duì)棒的多晶硅還原爐
 ▲系統(tǒng)原理說(shuō)明
    如圖2所示：還原爐電源系統(tǒng)首先啟動(dòng)高壓擊穿電源，提供0～12kV高壓擊穿硅芯；待硅芯擊穿恒流加熱數(shù)秒后，切換到維持電源，提供0～4kV中壓加熱硅芯，繼續(xù)提高爐溫；維持電源加熱數(shù)分鐘后，切換到還原電源，提供0～1.6kV對(duì)硅芯加熱，此時(shí)完成啟動(dòng)過(guò)程；接下來(lái)*由還原電源加熱進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，在長(zhǎng)達(dá)一周多的時(shí)間里完成還原生長(zhǎng)，形成多晶硅棒。
還原電源接受本地或遠(yuǎn)程給定，采集硅棒電流電壓信號(hào)，根據(jù)硅棒電流電壓，自動(dòng)調(diào)整4對(duì)硅棒工作于并聯(lián)或串連模式（如圖5所示）。
3.3.2 疊層控制
    為調(diào)整輸出電壓滿(mǎn)足整個(gè)還原周期內(nèi)的功率需求，解決早期的多抽頭單層調(diào)整方式、切換硅棒連接的多抽頭單層調(diào)整方式等控制方案存在的操作麻煩、電源諧波成分高、功率因數(shù)低、變壓器效率低、設(shè)備浪費(fèi)嚴(yán)重、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等弊端，我們采用了多層電源疊層控制技術(shù)，使每組功率回路接受4種電壓等級(jí)的電源，疊層輸出功率電源。多層電源疊層控制方式，能有效提高還原電源效率、減小諧波，節(jié)能降耗顯著，優(yōu)勢(shì)明顯（見(jiàn)圖6、7）。

還原電源系統(tǒng)除采用了串并聯(lián)控制與疊層控制技術(shù)外，其控制核心采用了英杰公司自主研發(fā)的具有水平的KTY1S全數(shù)字功率控制器，同時(shí)系統(tǒng)配置了快速信號(hào)采集裝置、西門(mén)子PLC（SIMATIC S7-400）及高品質(zhì)的功率器件。在設(shè)計(jì)施工中充分考慮到了各子系統(tǒng)的相互匹配性，考證了各種設(shè)備的可靠性、*性和成熟性，從而保障了整機(jī)系統(tǒng)的可靠、匹配與兼容。
    系統(tǒng)觸發(fā)控制使用光纖觸發(fā)，提高了觸發(fā)精度和抗*力，減少了柜內(nèi)連線，降低了維護(hù)難度；輸入、輸出接口隔離，通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)，抗*力強(qiáng)；相對(duì)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)常規(guī)還原電源系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，功率因數(shù)高及諧波低等優(yōu)點(diǎn)。

4 配套方案
    對(duì)于用戶(hù)而言，整套系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、制造到拉到現(xiàn)場(chǎng)僅僅完成了一半，要想將其安裝、調(diào)試、穩(wěn)定運(yùn)行起來(lái)還有很長(zhǎng)一段過(guò)程。在此期間，必然會(huì)有大量事務(wù)需要解決，主要包括：安裝施工、調(diào)試驗(yàn)收、操作保養(yǎng)維修培訓(xùn)、生產(chǎn)技術(shù)護(hù)航、故障快速服務(wù)等方面。此外，由于設(shè)備一旦投入，將運(yùn)行許多年，設(shè)備的備件保障也是一個(gè)重要問(wèn)題。
    因此，在技術(shù)方案一體化的基礎(chǔ)上，我們通過(guò)進(jìn)一步分析用戶(hù)需求，想用戶(hù)之所想，急用戶(hù)之所急，將售前、售中、售后乃至若干年后的重要需求全部融合在一起，推出了的一體化解決方案。主要包括三大部分：①設(shè)備保證和性能保證；②設(shè)備調(diào)試、驗(yàn)收和現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)；③質(zhì)量保證及售后服務(wù)承諾。配套方案的具體條款在具體項(xiàng)目中有詳盡的描述，通過(guò)方案的實(shí)施，可以讓用戶(hù)更放心整個(gè)電氣工程項(xiàng)目。

5 結(jié)束語(yǔ)
    英杰電氣自成立之初，便致力于工業(yè)電源產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)，在10多年的探索之路上，不斷推出適合工業(yè)各行業(yè)需要的各種規(guī)格的電源產(chǎn)品。為打破國(guó)外產(chǎn)品在硅晶體生產(chǎn)電氣電源控制設(shè)備上的壟斷，于2002年開(kāi)始了對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)注和研究。目前，英杰電氣開(kāi)發(fā)的多晶硅還原爐電源系統(tǒng)已經(jīng)為國(guó)內(nèi)一些大型多晶硅項(xiàng)目配套，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比：技術(shù)性能處于同一水平，成本更低，為用戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值（品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)能降耗、省時(shí)省力），達(dá)成雙贏，這是我們一貫的宗旨。在廣大晶體制造企業(yè)的支持下，英杰將在高品質(zhì)晶體電源上持續(xù)進(jìn)步，可以為用戶(hù)提供的不僅僅只有“交鑰匙工程”，更可以提供“放心工程”。以“為民族工業(yè)自動(dòng)化添磚加瓦”為使命的英杰人，用行動(dòng)捍衛(wèi)著自己的信念，英杰會(huì)做得更好，為社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。