淺談高頻干擾對(duì)硅芯爐的影響及防護(hù)措施

吳 斌，姚 婕，雷小博

(西安理工晶體科技有限公司，陜西西安710077)

早期的硅芯爐單爐次只能拉制1根硅芯，其母料一般為準(zhǔn)28～準(zhǔn)40 mm，高頻電源的振蕩頻率通常是2.1～2.3 MHz。隨著多晶硅產(chǎn)能的不斷提高，新型的硅芯爐具備每爐次拉制15～21根準(zhǔn)8～準(zhǔn)10 mm硅芯棒的能力，這樣的產(chǎn)量需要的母料規(guī)格一般都在準(zhǔn)80～準(zhǔn)110 mm之間，如果還用原來(lái)高頻電源的振蕩功率和振蕩頻率來(lái)熔料，效率非常低。由于高頻的振蕩頻率越高，母料表面的集膚效應(yīng)越強(qiáng)，化料速度越快。故現(xiàn)在的高頻電源都將自身的振蕩頻率提高到2.8～3.0 MHz，以便熔化大直徑的母料。隨著振蕩頻率的升高，高頻噪聲在硅芯爐運(yùn)行時(shí)的干擾作用也就越來(lái)越明顯。輕則影響電氣儀表的顯示，重則影響硅芯爐速度系統(tǒng)，導(dǎo)致拉制出非等徑的硅芯棒?？梢哉f(shuō)高頻干擾是硅芯爐能否穩(wěn)定運(yùn)行的一道難題。

1 高頻噪聲對(duì)硅芯爐電氣系統(tǒng)的干擾和危害

高頻噪聲分為兩種傳播方式。一種為傳導(dǎo)方式，另一種為空間輻射方式。傳導(dǎo)方式是指高頻噪聲通過(guò)導(dǎo)線、地線等導(dǎo)體進(jìn)入到被干擾設(shè)備，影響其正常工作。而空間輻射是高頻噪聲在空氣中以“場(chǎng)”傳播，對(duì)電氣設(shè)備及其元件進(jìn)行干擾。

1.1 高頻噪聲對(duì)交流供電系統(tǒng)及其相關(guān)電氣元件的干擾

高頻電源不但是高頻電磁發(fā)生源，同時(shí)也是一個(gè)高次諧波發(fā)生器，這是因?yàn)楦哳l設(shè)備普遍使用可控硅整流技術(shù)，整流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生5、7、11……等高次諧波。這種高次諧波串入電網(wǎng)使得電網(wǎng)電壓和電流發(fā)生畸變。硅芯爐電氣控制柜使用的是AC 220 V/50 Hz電源與高頻電源在同一配電網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。高次諧波隨配電線路進(jìn)入電氣控制柜內(nèi)部。部分電氣元件由于內(nèi)部沒有良好的濾波裝置則受干擾十分明顯。例如用于硅芯棒計(jì)長(zhǎng)的頻率計(jì)數(shù)器受到電源中高頻干擾，無(wú)法正常工作，表頭數(shù)字顯示呈現(xiàn)不規(guī)則計(jì)數(shù)，甚至亂跳字現(xiàn)象導(dǎo)致拉晶人員無(wú)法判斷當(dāng)前的晶體生長(zhǎng)情況。帶有指示燈的按鈕在高頻干擾下，會(huì)出現(xiàn)指示燈自動(dòng)點(diǎn)亮的現(xiàn)象。操作人員不能正確判斷按鈕工作狀態(tài)。

圖1 高頻電源與電氣控制柜連線圖

1.2 高頻噪聲對(duì)直流供電系統(tǒng)及其相關(guān)電氣元件的干擾

硅芯爐電氣控制柜的直流系統(tǒng)是由工頻電壓，通過(guò)開關(guān)電源變換到DC 24 V、DC 5 V，繼而給PLC、繼電器、編碼器等元件供電。由于交流線路上本身就存在干擾，通過(guò)導(dǎo)線干擾也會(huì)傳到開關(guān)電源。同時(shí)開關(guān)電源本身就是高頻設(shè)備，更加容易受到高頻噪聲干擾。生成的直流電源中雜波很多。具體現(xiàn)象為：在沒開啟高頻電源的情況下，所有電氣元件都可以正常使用，但是高頻電源開啟，某些直流供電元件就無(wú)法正常使用甚至被損壞。舉例來(lái)說(shuō)，爐體上面有大量直流供電的測(cè)量傳感器，如水流量計(jì)和壓力計(jì)等，在高頻開啟后傳輸?shù)筆LC的A/D模塊的數(shù)據(jù)跳動(dòng)很大，基本無(wú)法參考。甚至有些傳感器工作一段時(shí)間后電源損壞。

1.3 通過(guò)空間和傳導(dǎo)干擾信號(hào)線

設(shè)備爐體接線復(fù)雜且線距長(zhǎng)，高頻噪聲通過(guò)空間干擾信號(hào)線傳輸。信號(hào)線傳輸?shù)亩际堑皖l弱信號(hào)，一旦受到干擾，數(shù)據(jù)采集就不準(zhǔn)確。TDL-GX36-5型硅芯爐提拉頭的晶升電機(jī)采用的是7 V，1 000 r/min的測(cè)速電機(jī)來(lái)反饋信號(hào)，一般正常拉晶時(shí)的測(cè)速電機(jī)輸出的電壓只有幾十毫伏，這樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸且在高頻噪聲環(huán)境下，傳回PLC后，十分不準(zhǔn)確也不穩(wěn)定。高頻噪聲對(duì)編碼器的脈沖信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生干擾。通過(guò)示波器可以看出，高頻電源開啟后脈沖方波中存在很多雜波。這樣會(huì)使PLC計(jì)數(shù)模塊丟失脈沖。實(shí)際使用中確實(shí)存在實(shí)際計(jì)長(zhǎng)與計(jì)數(shù)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有偏差的情況。

1.4 高頻對(duì)設(shè)備地線的干擾

常用方式是高頻電源和電氣控制柜串聯(lián)，然后多套設(shè)備再并聯(lián)單點(diǎn)接地。往往此接地點(diǎn)就指在廠房?jī)?nèi)某一處的接地銅排。（見圖2）。高頻噪聲會(huì)增加接地線的接地阻抗。同時(shí)由于高頻電源和電氣控制柜的地電位不一樣，電氣控制柜的地電位會(huì)受到高頻電源工作電流的調(diào)制，高頻噪聲會(huì)通過(guò)地線耦合進(jìn)電氣控制柜。而且每套設(shè)備相對(duì)接點(diǎn)地的距離不同。每套設(shè)備的地電位也不相同，互相干擾。產(chǎn)生的現(xiàn)象是近地點(diǎn)設(shè)備，干擾小一點(diǎn)，遠(yuǎn)端的設(shè)備干擾隨距離增加而增加。

圖2 設(shè)備單點(diǎn)接地示意圖

2 防治措施

2.1 220 V電源系統(tǒng)

交流系統(tǒng)是高頻噪聲干擾的主要途徑，因此如何抑制電源系統(tǒng)的干擾就成為提高電氣設(shè)備抗干擾性能的一個(gè)重要課題。由于高頻電源和電氣控制柜在同一個(gè)配電線路，對(duì)此可以采用低通濾波器濾除高頻電源產(chǎn)生的高次諧波。濾波器種類很多，常采用的是T型，π型，L型以及他們的組合型。這些濾波器由于體積原因常安裝于高頻電柜內(nèi)。圖3所示為幾種常用低通濾波器。

對(duì)于有條件的廠家在設(shè)計(jì)廠房時(shí)，最好是將高頻電源和電氣控制柜獨(dú)立配電，杜絕電源上面的傳導(dǎo)干擾。根據(jù)實(shí)際使用效果此方式的效果最好。

圖3 典型低通濾波器

2.2 直流供電系統(tǒng)

在采取第2.1的方案后可以切斷線路傳導(dǎo)干擾但是不能消除空間干擾對(duì)開關(guān)電源的干擾。空間干擾主要是從屏蔽的角度來(lái)解決，可以將開關(guān)電源置于一個(gè)屏蔽的空間內(nèi)，屏蔽層與保護(hù)地連接。這樣就需要對(duì)電氣控制柜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有合理的布局。

同時(shí)可以采用線性電源來(lái)代替開關(guān)電源使用。線性電源外部全封閉屏蔽性好，輸出紋波小，對(duì)負(fù)載的干擾小。用它來(lái)代替開關(guān)電源后直流電源系統(tǒng)的質(zhì)量得到提升，電氣元件可以正常工作。

2.3 信號(hào)線

電氣控制柜要正常運(yùn)行，首先應(yīng)正確無(wú)誤地檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)，若信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致信號(hào)難以辨識(shí)。尤其是1.3講到的電氣控制柜中多使用的直流和低頻信號(hào)且幅值都偏小。在高頻噪聲傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的情況信號(hào)可能被淹沒于干擾之中，為了還原信號(hào)，可以采取以下措施：

（1）提高信號(hào)幅值。從抑制傳輸干擾角度看，提高信號(hào)幅值是一種簡(jiǎn)單有效的方式，提高信號(hào)幅值相當(dāng)于就提高了“信噪比”增強(qiáng)了信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗高干擾能力。前文提到的直流伺服測(cè)速電機(jī)反饋信號(hào)只有幾十毫伏的信號(hào)，可以通過(guò)提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速比，提高伺服電機(jī)運(yùn)行速度，從而提高測(cè)速電機(jī)反饋信號(hào)的強(qiáng)度。

（2）濾波裝置。對(duì)于低頻或直流信號(hào)還經(jīng)常采用低通濾波器只讓低頻成分通過(guò)，而高于截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過(guò)。比如在電機(jī)測(cè)速部分可以選取伺服電機(jī)配套的專用濾波器。

（3）屏蔽線纜。對(duì)于導(dǎo)線偏長(zhǎng)，曝露在高頻噪聲之下的信號(hào)線，必須采用雙絞屏蔽導(dǎo)線，雙絞線互相絞合，導(dǎo)線上可以產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢(shì)，因此對(duì)外部干擾磁通的抑制較強(qiáng)。注意的是屏蔽層必須一點(diǎn)或者兩點(diǎn)接地。如圖4所示。

圖4 屏蔽層的2點(diǎn)接地

為了加強(qiáng)編碼器脈沖信號(hào)在高頻下抗干擾能力，可以采取更換編碼器輸出方式來(lái)增加抗干擾能力。原來(lái)設(shè)備上面基本采用的是采用集電極開路輸出方式，驅(qū)動(dòng)能力差，一般只能傳輸4～5 m的距離?？刹捎镁€驅(qū)動(dòng)輸出方式的編碼器，由于輸出采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)具有高速、長(zhǎng)距離的輸出特點(diǎn)。信號(hào)以差分式輸出，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)也可以采用編碼器專用線傳輸。

2.4 設(shè)備合理接地措施

采用多點(diǎn)就近接地的方式，把高頻電源和電氣控制柜分別到低阻抗的接地點(diǎn)上（見圖5）。且每套設(shè)備有各自的接地點(diǎn)。接地電阻小于4 Ω。同時(shí)要根據(jù)設(shè)備的容量大小選擇合適的地線。高頻電源一般要選取36 mm2以上的接地線，電氣控制柜至少在16 mm2以上。

圖5 多點(diǎn)接地示意圖

3 小 結(jié)

以上簡(jiǎn)單分析了高頻電源產(chǎn)生的高頻噪聲對(duì)于硅芯爐電氣元件產(chǎn)生的各種干擾，以及對(duì)各種干擾采取的措施。這些措施只是在一定的程度上降低了干擾的程度，達(dá)到使用的要求。要從根本上解決高頻干擾的問題還要在電氣元件的選型和電柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理化上做大量工作。