[發明專利]Cz硅單晶爐用高頻開關電源的控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 201310222097.6
• 申請日: 2013-06-05
• 公開（公告）號: CN103346676A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 焦尚彬;劉晨;張青
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明屬于Cz硅單晶爐用高頻開關電源控制技術領域，涉及一種高頻開關電源的控制系統，具體涉及一種Cz硅單晶爐用高頻開關電源的控制系統，本發明還涉及采用上述控制系統進行控制的方法。

背景技術

工業單晶硅（不論是太陽能級還是IC級）90%以上是采用Cz（Czochralski）法生長，即在真空環境下將多晶硅熔化成硅液在1420℃左右的溫度環境里通過籽晶引導提拉生長成單晶硅，這些單晶硅被廣泛應用于太陽能和集成電路行業作為最基本的材料。加熱電源是直拉硅單晶爐的心臟和動力，其控制精度、可靠性、轉換效率等是單晶硅行業提高生產效率和效益的基礎。以IGBT為功率器件的開關加熱電源利用IGBT功率半導體器件作為開關管，利用高頻脈寬調制（PWM）技術或者高頻脈沖頻率調制技術（PFM）控制電流的通斷以形成高頻脈沖電流；在電感（高頻變壓器）的幫助下，通過二極管全波整流輸出穩定的低壓大電流。該類電源具有轉換效率高、功率因數高、體積小、穩定性好等優點。目前，硅單晶生長正向著高純度、高完整性、高均勻性和大直徑方向發展，這對開關電源的控制精度提出了更高要求，需要通過先進的控制算法來提高系統的抗擾能力，以獲得高精度的直流電源為加熱器提供電能。

常規PID控制方法在負載突變和輸入電壓擾動時需要較長的調節時間，動態特性較差，導致電源輸出功率波動，影響單晶品質；同時，由于高頻開關電源自身的非線性特點，采用傳統的PID控制還存在一些不足之處，例如當工作在占空比較大的工作點時，輸出電壓會出現比較明顯的超調和振蕩，不利于開關電源的穩定工作。

滑模變結構控制方法通過控制首先使系統的狀態軌跡運動到適當選取的切換面，然后使狀態軌線沿著切換面漸進運動到平衡點，系統一旦進入滑動模態運動，在一定條件下，就對外界干擾及參數擾動具有不變性。由于變結構控制不需要精確的模型和參數估計，因此該方法具有算法簡單、抗干擾性能好、容易在線實現等優點，適用于不確定非線性多變量的控制對象。針對開關電源的非線性特點，可以將滑模變結構等非線性控制理論引入到高頻開關電源的控制策略中。但是，開關特性在本質上是不連續的，因此滑模變結構控制系統存在抖振問題。在滑模變結構控制中引入模糊控制理論，可以將抖振的影響削弱甚至消除，進一步提高滑模控制的性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種Cz硅單晶爐用高頻開關電源的控制系統，解決了現有控制系統動態特性較差，導致電源輸出功率波動，影響單晶品質的問題。

本發明的另一目的是提供采用上述控制系統對Cz硅單晶爐用高頻開關電源進行控制的方法。

本發明所采用的技術方案是，Cz硅單晶爐用高頻開關電源的控制系統，包括依次連接的模擬信號隔離采集轉換電路、數字低通濾波器、自適應模糊滑?？刂破鳌WM產生模塊及IGBT隔離驅動電路，模擬信號隔離采集轉換電路、IGBT隔離驅動電路分別與功率部分主電路連接，模擬信號隔離采集轉換電路通過軟核處理器與LED顯示模塊、鍵盤及上位機連接；

本發明所采用的另一技術方案是，Cz硅單晶爐用高頻開關電源的控制方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1：開關電源功率部分主電路輸入部分接入交流電壓，經過前端濾波整流，全橋逆變過程及高頻變壓器作用后進行了電壓變換，后端整流濾波之后，得到輸出直流電壓；

步驟2：根據被控對象建立模型，獲得模型中的關鍵參數：輸入電壓V_DC，負載電感L_f，負載電容C_o，負載電阻R，原邊電壓損失與負載電流之比R_d；

步驟3：根據步驟2中的模型設計自適應模糊滑?？刂破鳎_定切換函數s中的系數和控制律，得到閉環控制系統；

步驟4：模擬信號隔離采集轉換電路采集步驟1輸出的直流電壓信號，作為反饋信號送給步驟3得到的自適應模糊滑?？刂破?，自適應模糊滑?？刂破髑蟪隹刂屏浚⑤敵鯬WM驅動信號到IGBT隔離驅動電路放大；

步驟5：放大后的驅動信號控制全橋逆變器的占空比，當輸出電壓高于設定值時，減少IGBT隔離驅動電路的開通時間，減小占空比；當輸出電壓低于設定值時，增大IGBT隔離驅動電路的開通時間，升高占空比，從而控制開關管的開通和關斷，調節輸出電壓平穩。

本發明的特點還在于，

其中的步驟2根據被控對象建立模型，獲得模型中的關鍵參數，具體按照以下步驟實施：