碳化硅單晶爐供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析及技術(shù)改造

（新疆天科合達藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司，石河子市，832000） 杜廣平

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碳化硅單晶爐供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析及技術(shù)改造

（新疆天科合達藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司，石河子市，832000） 杜廣平

摘要針對碳化硅單晶爐供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況，對產(chǎn)生諧波的原因及對電網(wǎng)造成的危害進行了分析。通過對該類負(fù)載的特性分析，提出了采用有源電力濾波器進行電能質(zhì)量治理的解決方案，并取得了很好的濾波和節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞碳化硅；單晶爐；電能質(zhì)量；諧波

碳化硅單晶體作為一種新型的半導(dǎo)體材料,以其優(yōu)良的物理特性和電學(xué)特性成為制造高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)體器件的優(yōu)選材料，可用于地面核反應(yīng)堆系統(tǒng)的監(jiān)控、原油勘探、環(huán)境監(jiān)測及航空、航天、雷達、通訊系統(tǒng)和大功率的電子轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。在高頻大功率和高電壓器件領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。特別適合在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用。

碳化硅單晶體的生長條件苛刻，需要在2 100℃～2 400℃保持高真空6～7d，因此對單晶爐供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性要求高。目前人工合成碳化硅單晶體主要采用單晶生長爐，與其配套使用的中頻加熱電源多采用可控硅整流電路，中頻加熱電源向電網(wǎng)注入了大量的諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)畸變嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了碳化硅的正常生長及品質(zhì)。研究單晶爐供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題對提高碳化硅成品率有著重要的意義。

1　碳化硅晶體的生長特性及單晶爐供電要求

碳化硅單晶具有高硬度、高導(dǎo)熱率等品質(zhì)，其生長條件比較苛刻。碳化硅晶體生長比較成熟的方法是物理氣相輸運（PVT）法生長SiC單晶，這種方法對單晶爐內(nèi)溫度的控制要求都非常嚴(yán)格。溫度控制不好，不僅影響晶體的生長速度、外形尺寸、重量，還會導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)微管、凹坑、多晶等嚴(yán)重缺陷，降低晶體的質(zhì)量。生成碳化硅常用的提拉機構(gòu)還會對籽晶進行旋轉(zhuǎn)、提拉，任何外界干擾導(dǎo)致電機的震動都會影響到晶體的生長及最終品質(zhì)。因而單晶爐的供電系統(tǒng)對電能質(zhì)量有著非常高的要求，其用電質(zhì)量要保證不能對控制系統(tǒng)中的溫度信號采集和PLC系統(tǒng)控制信號產(chǎn)生干擾，更不能影響提拉機構(gòu)的伺服電機正常運轉(zhuǎn)。

2　單晶爐供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題及諧波危害

2.1單晶爐供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題

碳化硅單晶爐除真空室以外，還包括真空測量設(shè)備、IGBT中頻加熱設(shè)備和提拉運動設(shè)備，其中含有變頻器、IGBT大功率中頻電源、大容量可控硅整流器等非線性負(fù)荷。這些負(fù)荷會導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生高頻次的諧波電流，影響其他設(shè)備的正常工作。以變頻器、大容量可控硅整流器為例，其包含的三相六脈沖整流電路產(chǎn)生的5次、7次諧波含量最高，其危害也最嚴(yán)重。IGBT中頻電源產(chǎn)生的中頻泄露雖然幅值不高，但由于諧波頻率較高，對控制系統(tǒng)的影響也不可忽視。由于諧波源產(chǎn)生的諧波電流能夠回灌電網(wǎng)，通過回路阻抗產(chǎn)生諧波電壓，導(dǎo)致整個供電系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，影響到供電系統(tǒng)所有設(shè)備的用電質(zhì)量。

2.2諧波對單晶爐系統(tǒng)的主要危害

（1）產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩致使伺服電機發(fā)生機械振動、噪聲和過電壓，不僅影響晶體生長，還降低伺服電機使用壽命；（2）高頻諧波會干擾鄰近的電力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，導(dǎo)致溫度信號采樣和PLC控制信號發(fā)生錯誤，影響設(shè)備的正常運行，降低單晶的成品率；還會造成PLC等控制系統(tǒng)的控制模塊發(fā)生莫名其妙損壞：（3）由于渦流和集膚效應(yīng)，使電機、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱，浪費電能并加速線路和設(shè)備絕緣材料的老化，大量3次諧波電流流過中線時會使線路過熱其至發(fā)生火災(zāi)，諧波電壓正比于其峰值電壓的形式增強了絕緣介質(zhì)的電場強度，降低設(shè)備使用壽命；（4）諧波會改變保護繼電器的動作特性，引起繼電保護設(shè)施的誤動作，造成繼電保護等自動裝置工作紊亂，會使電氣儀表計量不準(zhǔn)確

根據(jù)上述分析，由于供電系統(tǒng)中含有大量非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，導(dǎo)致電能質(zhì)量狀況惡劣，不僅影響了單晶爐的正常工作，還對供電系統(tǒng)的安全生產(chǎn)帶來危害，必須采取諧波治理措施提高電能質(zhì)量，凈化用電環(huán)境。

3　碳化硅單晶爐供電電能質(zhì)量的改造方案

目前，治理電網(wǎng)諧波最有效、性價比最高的方法就是APF：Active Power Filter，中文名稱“有源電力濾波器”，工作原理是：利用瞬時功率理論檢出負(fù)荷的當(dāng)前時刻諧波成分，然后利用逆變技術(shù)發(fā)出需要補償?shù)闹C波電流；它相當(dāng)于一個諧波發(fā)電機。用于高效的濾除系統(tǒng)中的電流諧波，清潔電網(wǎng)，減小干擾。通過其多樣化的電能質(zhì)量治理功能和高效率的補償能力，全面改善電網(wǎng)環(huán)境。

圖1　有源電力濾波器工作原理簡圖

3.1有源電力濾波器的特點

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制電力諧波、動態(tài)補償無功功率并校正三相不平衡的新型電力電子設(shè)備，具有以下特點：

（1）主控制器采用多DSP協(xié)同控制，控制精度高、響應(yīng)速度快。（2）采用FFT或瞬時無功理論，既可分次濾除諧波，也可全部濾除；同時濾除多達20多種諧波，最高可濾除50次諧波；對目標(biāo)諧波，有效濾除能力達98%。（3）通過補償電流發(fā)生器紋波交錯對消技術(shù)，大幅降低了輸出電流中的開關(guān)紋波，從而降低了輸出電感，提高了變流器的電流跟蹤能力，同時也降低了輸出電抗器的損耗和噪音，避免了對電網(wǎng)的二次污染。（4）采用低損耗微晶合金磁芯電抗器，噪聲低，效率高。該類型電抗器所用環(huán)型合金磁芯具有飽和磁通密度高、高頻損耗低、分布?xì)庀督Y(jié)構(gòu)等特點，是有源電力濾波器高功率密度、高效率、低噪聲技術(shù)特征的重要保證。（5）具有諧波、無功綜合補償功能，可分濾波優(yōu)先、無功優(yōu)先、只濾諧波、只補無功4種工作模式，滿足各種供電系統(tǒng)補償需求；同時具有平衡補償功能，可自動平衡各相之間的負(fù)載電流大小。

3.2有源濾波設(shè)備的容量選型原則

目前配備無功補償設(shè)備的容量一般根據(jù)變壓器容量確定，通常定為變壓器容量的30%。對于已經(jīng)使用的用電項目，追加無功補償設(shè)備時，可以按上述原則配備變壓器容量的30%，也可以根據(jù)實測的無功功率進行配備。

有源電力濾波器的使用尚不普遍，目前大多是對已經(jīng)投運的用電項目根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行容量配備。例如某公司用電負(fù)荷最大電流約500A，最大諧波畸變率約15%，500×15%＝75A，可以配備一臺75A的APF。而通常在選擇容量時，根據(jù)實測結(jié)果還要考慮10%～15%的裕量，比如75×1.15＝86.25A，那么可以選擇100A容量的APF，或者仍選擇75A的，但諧波治理效果稍微差一些，但是這樣可以給降低技改投資。

4　在單晶爐供電系統(tǒng)中的應(yīng)用比較

單晶生產(chǎn)車間對其中一條單晶爐生產(chǎn)線進行電能質(zhì)量測試及治理，通過技術(shù)改造前后的數(shù)據(jù)比較，驗證有源電力濾波器對單晶爐供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理效果。通過對該單晶生產(chǎn)車間用電負(fù)荷的測試，得知單晶爐供電系統(tǒng)中，由于加熱源存在整流電路導(dǎo)致供電系統(tǒng)中含有大量的5次、7次等高次諧波，選定一條帶12個晶體爐的生產(chǎn)線，安裝1臺小容量的有源電力濾波器進行諧波治理實驗。

為了驗證對特征次諧波的濾波效果，濾波器濾波次數(shù)調(diào)整到15次。從對比數(shù)據(jù)中可以看出，從有源濾波器啟動后，負(fù)載的電流波形接近正弦波，電流畸變率從37.58%降低到14.06%，5次、7次、11次、13次諧波電流已基本消除。從功率表和電能表中可以看出，在有功功率稍微增加的情況下，總電流反而有所下降，說明用電設(shè)備的利用率得到提升，起到了節(jié)能降耗的效果，而總功率因數(shù)的提高也驗證了這一結(jié)論。根據(jù)單晶生產(chǎn)車間的技術(shù)總結(jié)，技改以后設(shè)備故障率有所降低，單晶成品率有小幅的提高，今后能大規(guī)模推廣使用有源電力濾波器會產(chǎn)生更加明顯的經(jīng)濟效益。

表1　有源電力濾波器投入前后數(shù)據(jù)對比表

5　結(jié)論

通過實際運用可以看出，有源電力濾波器在碳化硅單晶爐供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量治理效果是很好的，不但完成了諧波消除任務(wù)，而且降低了諧波對晶體生長環(huán)境的干擾，使得整個供電系統(tǒng)安全性和可靠性有了大幅的提升。

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中圖分類號：TQ163+.4

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0899（2016）06-0056-03