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河北工业大学硕士学位论文硅棒碰壁检测器的研究与设计姓名：尹茂振申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：梁秀霞20091201河北工业大学硕士学位论文 i硅棒碰壁检测器的研究与设计硅棒碰壁检测器的研究与设计 摘摘 要要 还原炉是西门子法生产多晶硅的重要设备,由可控硅调压柜控制的多晶硅还原炉电气 系统对其进行自动控温，它的主要设备是大功率调压器在生产过程中会发生功率因数低 和谐波问题、结构上的环流问题、硅棒碰壁、裂棒检测及断电再上电等一系列辅助功能问 题硅棒碰壁是其中问题之一，当还原炉中的硅棒发生倒伏碰壁时，造成负载短路，电流 过流等故障，甚至会发生硅棒放电击穿炉壁，造成巨大损失而只有俄罗斯，美国，日本， 德国，法国，以色列等 6 个国家掌握此故障的检测技术，目前国内还没有能够检测出多晶 硅碰壁的装置，只能通过人工看守，或引进德国的先进国家的检测设备，因此，研制出多 晶硅检测装置在国内的多晶硅生产领域有着重大的意义 还原炉中硅棒电阻大范围变动引起调压器输出电压和电流的调节范围大是调压器的 设计特点，而电压的不可控性造成了碰壁现象直接检测的难度本文通过对多晶硅还原炉 电气系统的研究，针对硅棒碰壁这一现象，设计了一种能够自动检测出多晶硅倒棒碰壁现 象的装置。

检测装置根据电容元件的通高阻低的特性，消除了工频电压大范围变化带来的 不可控性，通过检测电路对高频检测信号的检测来判断硅棒的碰壁，能够在硅棒碰到炉壁 的时候及时的报警 关键词：关键词：多晶硅，检测仪表，巴特沃兹低通滤波，信号发生器，报警电路 硅棒碰壁检测器的研究与设计 ii STUDY AND DESIGN ON DETECTOR OF SILICON RODS RUN INTO THE WALL ABSTRACT Reduction furnace is the important equipment of the Siemens Production of polysilicon. It’s temperature is automatic controlled by polysilicon reduction furnace electrical system, electrical system is controlled By SCR voltage control cabinet, and its main equipment is the high-power voltage regulator. During the production process, series of auxiliary functions will be occurred, such as low power factor and harmonic problems, the structure of the circulation problems, silicon rods run into the wall, cleft stick detection and power issues etc.. Silicon rod hitting the wall is one of the problems, when occurred, resulting in the load short-circuit current over-current faults, etc., or even discharge breakdown occurs silicon rod furnace wall, causing enormous losses. Only Russia, the United States, Japan, Germany, France, Israel and other countries to master the fault detection technology, the current domestic polysilicon has not been able to detect run into a wall of the device, only through artificial guards, or the introduction of Germany advanced countries of the detection equipment, therefore, developed a test device has great significance in polysilicon production areas of our country . Reduction furnace silicon rod resistance caused by large-scale change in voltage regulator output voltage and current adjustment range is a big booster of the design features, while the voltage is not controllable causing the phenomenon of direct measurement difficult. In this paper, pairs of poly-silicon reduction furnace electrical system studies, rebuffed this phenomenon for silicon rods, designed a devices to automatically detect the phenomenon of poly-silicon run into a wall. Detector according to the low-pass high resistance characteristics of capacitance elements, eliminating the changes in frequency brought about a wide range of voltage is not controllable through the detection circuit for detecting high-frequency signal detection to determine the silicon rods hitting the wall, be able to warning at time when it touch the silicon rod to the furnace wall. KEY WORDS: Polysilicon, instrumentation, Butteworth LPF，signal generator, alarm circuit 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 多晶硅是生产半导体和太阳能电池的基础材料， 太阳能电池用多晶硅已经占到多晶硅产量的 90%以 上。

考虑到石油和煤的日益枯竭， 发展环保型太阳能取代石油和煤的能源地位已经成为世界大国争夺的 战略制高点目前，仅美国、英国、法国、俄罗斯、德国、日本等国家具有多晶硅生产能力和装备技术， 对我国采取从多晶硅材料到技术的全面封锁我国已经把发展多晶硅材料作为国家安全战略加以重视 “十一五”计划提出多晶硅产量 3 万吨，太阳能发电占总发电量的 15% §1-1 课题研究的背景和意义 §1-1 课题研究的背景和意义 多晶硅是当前新能源之一太阳能所需的一种关键材料太阳能光伏产业的飞速发展，为作为基础 材料的多晶硅产业提供了广阔的市场目前全球 95％以上的半导体器件是用硅材料制造的，由硅材料 制成的集成电路和半导体器件广泛应用于航天、国防军工、通讯等高精尖行业以及各种电子、电器、汽 车等通用行业，硅材料支撑着种类繁多、意义重大的电子信息工业同时，随着石化能源的逐渐枯竭和 以及环保需求上升，可再生能源快速发展，太阳能电池用多晶硅原料需求增势迅猛目前，只有美国、 日本、德国等国家拥有最先进的多晶硅产业化技术，并且几十年来一直实行技术封锁和市场垄断，制约 了我国多晶硅产业的发展[1] 高纯多晶硅是电子工业和太阳能光伏产业的基础原料，在未来的 50 年里，还不可能有其他材料能 够替代硅材料而成为电子和光伏产业主要原材料。

多晶硅主要采用化学提纯、物理提纯两种方法进行生产，其中化学提纯方法主要有西门子法（气 相沉淀反应法） ，物理提纯方法主要有区域熔化提纯法（FZ） 目前最为成熟的多晶硅提纯工艺是西门子 法 国际主流厂商大多采用西门子法进行多晶硅的生产方法是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯 化氢气体，最后得到沸点仅有的三氯化硅随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到 的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态硅，击碎后便成为块状多晶硅这样就可以得到纯度为以上的硅西门子法提纯多晶硅需要维持的高温， 同时调压的范围大，消耗功率高因此耗费大量电能，造成成本居高不下，一个 1000 吨的工厂投资需 要人民币 10 亿元左右 C°319999999.C°1080 %99C°1080还原炉就是西门子法生产多晶硅的重要设备多晶硅还原炉是由可控硅调压柜控制的多晶硅还原 炉电气系统进行自动控温， 它的主要设备是大功率调压器 调压器所带负载是多晶硅棒串联而成的纯电 阻负载调压器的作用实际上是对负载电阻进行电加热，并且保持硅棒表面温度恒定（一般） 硅棒串联而成的电阻是一个变化的电阻：第一，硅棒温度从常温上升到，直径硅芯电阻从几百下降到几十；第二，保持硅棒表面温度，硅棒直径从C°1080 C°1000 88Φ ΩkΩC°1080Φ增加到，硅棒电阻 从几十下降到几十150Φ ΩΩm。

可见硅棒电阻大范围变动引起调压器输出电压和电流的调节范围大是这种 调压器的设计特点按照实际工作的性质，调压器分为硅棒温度从常温加热到1000的预热调压器和 硅棒直径从增加到最终直径并且始终保持硅棒表面温度的还原调压器 C° 8ΦC°1080 预热调压器工作过程中硅棒温度从常温加热到，其主要困难是硅棒初始电阻 R 太大，加热功率正比于C°1000RV2，电阻大必然要求供电电压高（甚至需十几） ，一般应尽可能降低电阻KVR常用方法有提高炉壁冷却液的温度， 加粗硅芯直径， 对硅芯参杂， 炉内注入高温等离子体或放置卤钨灯等等1硅棒碰壁检测器的研究与设计 预热调压器工作时间十几分钟，功率KVA20030− 还原调压器输出功率用于加热硅棒， 硅棒再通过辐射、 传导和对流方式将功率传递给还原炉内的反 应气体和炉壁的冷却液随硅棒直径增长，反应气体流量加大，炉内的反应气体和炉壁的冷却液带走的 热量增加，调压器输出功率越来越大还原调压器设计必须满足工艺上随直径变化，电压 V、电流 I 和功率 P 的供电要求同时，重点考虑高电压的电气结构问题、大电流的电气结构问题、负载电阻变化 引起的调节器参数设计问题、 调压范围大引起的功率因数低和谐波问题、 结构上的环流问题、 硅棒碰壁、 裂棒检测及断电再上电等辅助功能问题。

Φ当还原炉中的硅棒发生倒伏碰壁时，造成负载短路，电流过流等故障，甚至会发生硅棒放电击穿炉 壁，不但会给生产造成巨大损失，甚至会从烧坏的炉子裂口处逸出毒性非常强的氯气，威胁到外界工作 人员生命安全[2] 目前我国多晶硅生产厂家主要引进德国设备，但德国多晶硅检测柜具有体积大，功耗大的缺点，本 文通过对电路中电流信号的采集与处理，判断是否发生碰壁意在研制一个体积小，功耗低，能够精确 检测硅棒碰壁的仪表化的检测装置 §1-2 国内外现状 §1-2 国内外现状 1 1- -2。