多晶硅还原炉自动控制电流新方法探讨

作者： 周智武 蒋荣华

来源：《新材料产业》 2013年第6期

■文/周智武1 蒋荣华2

1.江西赛维LDK太阳能多晶硅科技有限公司

2.江西赛维LDK太阳能高科技有限公司技术研究院

为了解决多晶硅生产过程中众多不确定因素引起的温度、电流波动等问题，笔者有针对性地研究了多晶硅生产过程有效控制的方法，用于预测与修正自动控制电流，使多晶硅生长过程能稳定地进行晶体生长。多晶硅还原炉控制系统，通常按照预先设定的温度变化曲线调节各个时刻施加在硅棒上的电流值，或采用PID（比例、积分、微分）调节方式，从而实现对硅棒渐进加热。然而，该方法无法全面地对多晶硅生长过程中众多不确定因素引起的温度、电流波动等进行有效控制，难以保证还原炉在整个生产过程中的稳定性，易产生多晶硅裂棒、倒棒和中途停炉，从而造成多晶硅产量低、质量低、电耗高等问题。为此，笔者研究了2种方法，用于预测与修正多晶硅生长过程中的自动控制电流。

一、设计多晶硅生产过程的电流预测模块

多晶硅生产过程电流预测模块，专门用于自动控制还原炉中加热硅棒电流值的预测和处理，对温度调节过程中随机突变的各种复杂、不确定因素有非常好的适应性。

预测模块，根据获取的当前温度值、当前电流值和目标温度值，通过预设的电流预测公式，计算出从当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值；输出模块，按照预测电流值向硅棒输出的从当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流。

电流预测公式为：y(k+i)=y(k)+[w-y(k)](1-e-T/τ)。其中，y(k+i)为从当前温度值至目标温度值之间的第i个采样周期向硅棒输出的电流值，i为自然数；y(k)为当前电流值；w为目标温度值对应的预设系数，在当前温度值小于目标温度值时，w的值等于y(k)+Δ，在当前温度值等于目标温度值时，w等于y(k)，在当前温度值大于目标温度值时，w等于y(k)-Δ，Δ大于零；T为采样周期；τ为第一参考轨迹时间常数，当前温度值越低，τ取值越小。预测出来的电流值始终连续不断地使硅棒实际温度逐渐逼近和达到设定目标温度值。

二、根据预测电流值进行电流修正

在当前电流波动时，系数模块获取当前电流的波动值所对应的波动区间时间常数τ2，通过系数预测公式计算出多个采样周期的电流修正系数；修正模块，用于将各采样周期的预测电流值乘以电流修正系数获得各采样周期修正后的预测电流值。系数预测公式为：

K(k+i)=y(k)y(k)+[w-y(k)](1-e-T/τ2)

其中，K(k+i)为第i个采样周期向硅棒输出电流的修正系数，i为自然数；τ2为第二参考轨迹时间常数，当前电流的波动值越大，τ取值越小。

软件中设有判断模块，用于判断当前电流波动值与前一个采样周期电流的波动值是否不同和所在波动区间。

在当前电流的波动值与前一个采样周期电流的波动值相同时，选择模块获取前一个采样周期计算出的多个采样周期的电流修正系数。

系数模块还包括一个调节模块，调节模块用于在当前电流波动值小于预设的波动阈值时，将电流修正系数设置为预设的阈值系数。

根据电流波动不断对预测的电流值进行滚动优化、平滑修正，从而能有效控制电流波动。保证输入电流的稳定性。所以，对温度调节过程中随机突变的各种复杂、不确定因素有非常好的适应性，从而减少了硅棒生产过程中裂棒、倒棒和停炉的几率。

三、实例说明

红外线测温仪可以获取硅棒的当前温度值，通过电流检测获取硅棒上当前施加的电流值。设定目标温度值，目标温度值通常为还原炉中化学反应温度。采样周期是100ms。假设当前温度值为940℃，当前电流值为1000A，目标温度值为1080℃。

软件根据电流预测公式y(k+i)=y(k)+[w-y(k)](1-e-T/τ)，计算出从当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值。公式中，y(k+i)为从当前温度值至目标温度值之间第i个采样周期，向硅棒输出的电流值，i为自然数；y(k)为当前电流值，即1000A。

建立与各个电流区间相对应关系的数据库。根据电流值查找相应的Δ值。划分区间：0≤I＜600A，600A≤I≤1200A，1200A＜I≤3000A等多个区间，各区间对应的Δ分别为20、50、40……在当前电流值y(k)满足600A≤y(k)≤1200A区间时，Δ=50。

同样，将温度划分成多个区间，在各区间设定不同的τ值，建立与各个温度区间相对应关系的数据库。根据当前温度查找相应的τ值。将温度划分935～946℃、947～958℃、959～970℃等，各个区间的温度范围均为11℃，各区间对应的τ分别为30、40、50……温度区间的温度越低，τ越小，电流升高的速度越快。便于早期快速升温。由于940℃位于935～946℃区间，τ取30。

在当前温度值小于目标温度值时，w等于y(k)+Δ，未来的多个采样周期，向硅棒输出的电流值将升高，在硅棒上施加的电流连续不断增加。当温度升高到目标温度值时，w等于y(k)，未来的多个采样周期保持硅棒上施加的电流不变。若当前温度比目标温度高，则w等于y(k)-Δ，未来的多个采样周期向硅棒输出的电流值将降低，从而降低硅棒的温度，使硅棒的温度降低至目标温度值。

预测下一个采样周期向硅棒输出的预测电流值，其计算结果为：y(k+i)=y(k)+[w-y(k)](1-e-T/τ)=1000+[y(k)+50-y(k)]×（1-e-0.1/30）=1000.16639A。依此类推，预测其余采样周期，向硅棒输出的预测电流值为：y(k+2)=y(k+1)+[w-y(k+1)](1-e-T/τ)，y(k+3)=y(k+2)+[w-y(k+2)](1-e-T/τ)……

上述仅是针对935～946℃温度区间进行调整。在当前温度、当前电流值发生变化，w及τ也会相应发生变化，从而达到动态、平滑的调整未来i个时刻的电流变化。预测出来的电流值，始终连续不断地使硅棒实际温度逐渐逼近和达到设定目标温度值，直到硅棒生产完毕。

在操作过程中，可以采用一个红外线测温仪对上述还原炉中的一组硅棒进行测量，也可以采用多个红外线测温仪对还原炉中的多组硅棒进行测量，并根据各组硅棒的实际温度进行分别控制。

在期间电流产生波动值时，通过预设的系数预测公式计算出从当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的电流修正系数进行平滑、滚动地优化修正。

电流波动区间可划分10～20A、20～30A、30～40A等多个，各区间对应的τ2(τ2根据预先大量实验获得)分别为3、2.5、1.5。电流波动区间的电流越大，τ2越小，K(k+i)越小。修正后，使预测输出电流减少，降低电流升高的速度，防止电流升温速度过快产生裂棒及倒棒。假设当前电流的波动值为13A，位于10～20A区间，所以τ2取3。预测下一个采样周期的电流修正系数计算结果为：

K(k+1)=y(k)y(k)+[w-y(k)](1-e-T/τ2)=10001000+[y(k)+50-y(k)](1-e-0.1/3)=0.99836

依此类推，预测其余采样周期的电流修正系数为：

K(k+2)=y(k+1)y(k+1)+[w-y(k+1)](1-e-T/τ2)K(k+3)=y(k+2)y(k+2)+[w-y(k+2)](1-e-T/τ2)

……

上述仅是针对10～20A电流波动区间进行调整。在当前电流波动值所在的区间发生变化时，τ2也会相应发生变化，从而达到实现对各个采样周期电流的动态修正。这样，在温度调节过程中，随机突变的电流波动有非常好的适应性。

另外，还预设了一个波动阈值及一个预设阈值系数。预设波动阈值为10A，阈值系数为1。在当前电流的波动值小于波动阈值时，电流修正系数等于阈值系数1。从而无需对过小的电流波动进行调节，减少调节次数，提高调节效率。

各采样周期的预测电流值乘以电流修正系数获得各采样周期修正后的预测电流值。在该实施例中，获得修正后的预测电流值为y(k+1)=y(k+1)·K(k+1)=1000.16639×0.99836=998.526A。若当前电流波动值与前一个采样周期的电流波动值相同时，电流修正系数不变。

四、结语

笔者研究的预测与修正自动控制电流的方法，可以根据电流波动的情况不断对预测的电流值进行修正，从而能有效控制电流波动，保证输入电流的稳定性，达到多晶硅生长过程相对稳定的效果，进而也在提高多晶硅产品质量稳定性与产量的同时，降低了多晶硅的生产能耗。

10.3969/j.issn.1008-892X.2013.06.013参考文献

[1]李少远，李柠.复杂系统的模糊预测控制及其应用[M].北京：科技出版社，2011.

[2]舒迪前.预测控制系统及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.