高阻晶體硅電池擴散爐溫度控制的研究

毛朝斌，陳特超，李 克，林伯奇

(中國電子科技集團公司第四十八研究所國家光伏裝備工程技術研究中心，長沙410111)

隨著晶體硅電池產業的快速發展，電池片生產廠家為了提高電池片的轉換效率，對電池生產設備的要求也不斷提高。擴散設備作為生產光伏電池的主要設備，其性能和生產效率尤其受到廣大光伏電池生產廠家的關注，電池生產廠家要求提高的方塊電阻，提高電池擴散后片內方塊電阻和片間方塊電阻的均勻性等方面以提高電池的效率及使用壽命。以前采用的是單回路控制爐管加熱,通過控制爐壁的溫度來達到控制爐膛內的工藝溫度，這種方式簡單、容易操作，但這種方式工藝回溫時間長，爐內溫度不精確，抗干擾能力不強，已經不能滿足客戶對高阻擴散工藝的要求[1][2]。中國電子科技集團公司第四十八研究所研制了一種溫度串級控制系統的新型擴散爐。這種溫度串級控制方式能很好地彌補這些缺點，達到比較理想的控制效果，在性能方面已經達到國外同類產品的水平，并已經出口到阿聯酋等國家的光伏電池生產廠家，客戶反映效果良好。

2 溫度控制系統

2.1 串級控制原理

串級控制系統一般由主、副兩個回路構成，被控量的反饋形成主回路，另外一個對被控量起主要影響的變量選做輔助變量形成副回路。串級控制與單回路的區別在于副回路的給定值不是常量，而是變量，它的變化情況由被控量通過主調節回路自動校正。

擴散爐設備采用電阻爐加熱，以五段溫區的擴散爐為例，其溫度串級控制系統見圖1，圖中僅畫出了一段溫區的串級控制系統，其他4個溫區控制方式相同。從圖中可以看出爐壁處的外熱偶（a、b、c、d、e）、PID2、觸發電路以及功率部件組成副回路，用來控制爐絲加熱電流的大小，而置于爐膛內的內熱偶(A、B、C、D、E)將測得的溫度與設定值比較后，與PID1、PID2、觸發電路以及功率部件一起組成主回路，監控爐膛內恒溫區的溫度變化。

圖1 溫度串級控制系統

將圖1控制系統原理圖畫成系統方框圖，見圖2。再根據方框圖2，做出傳遞函數方框圖見圖3。

圖2 串級控制系統方框圖

圖3 傳遞函數方框圖

其中：

R1(s)—設定溫度的傳遞函數；

R2(s)—主調節器輸出值的傳遞函數；

GC1(s)、GC2(s)—主、副調節器的傳遞函數；

Gv(s)—執行機構的傳遞函數；

G01(s)、G02(s)—主、副控制對象的傳遞函數；

Gml(s)、Gm2(s)—主、副變送器的傳遞函數；

Nl(s)、N2(s)—一次干擾和二次干擾的傳遞函數。

假設副回路中各環節傳遞函數分別為：

將副回路反饋信號相加點由副調節器之前向后移至副對象之前，經簡化，可得出其等效副對象為：

因此，在本控制系統中，等效副對象的時間常數和放大倍數都縮小了，隨著副控放大倍數Kc2整定得越大，等效副對象的放大倍數和時間常數縮小得越顯著。這相當于在系統中增加了一個起超前作用的微分環節，這會使系統的響應速度加快，控制更為及時，更有利于提高控制品質和系統可控性[3][4]。

2.2 控制效果分析

由于副回路控制通道環節少，時間常數小，反應靈敏。所以當干擾進入副回路時，串級系統可以獲得比單回路系統更快的控制作用，有效的克服電壓波動對爐膛溫度造成的影響，從而大大提高控制質量。

通過以上直觀分析可以看出，使用串級控制系統后，由于引入了副回路，不僅能迅速克服副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調，粗調和快調的作用，主回路具有后調、細調和慢調的作用，對副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以消除，主、副回路相互配合、相互補充，使控制質量顯著提高，能很好滿足設備指標要求。

因此擴散爐引入串級控制后，其優點為：

（1）引入副回路，可改善對象特性，提高溫控系統的響應速度，提升控制品質和系統可控性。

（2）串級控制系統的抗干擾能力比單回路控制系統要強得多，特別是當干擾作用于副環時，系統的抗干擾能力會更強。

（3）能有效地縮短回溫時間，減少煩瑣的工藝溫度校正工作量，單回路控溫系統管內工藝回溫的溫度到達設定值通常需要15 min以上，而溫度采用串級控制的管內溫度到達設定值的溫度可以少于10 min。

3 PID設置

在溫度串級控制過程采用分段處理的方式，即把整個溫控過程分為三段，分別是升溫段、拐點段、恒溫段。

升溫段為了節約時間和成本，一般是全功率加熱，獲得最短升溫時間。就是說在升溫段采用單級PID控制，即副回路不受主回路的影響。此時次回路的檢測值PV2與SV相差比較大，一般會100%的輸出。如果對升溫段的升溫速率也有要求（小于最大升溫速率），此時一般對副回路的MV2加以限制，即計算輸出為100，而實際輸出為70（參考數據），從而達到控制升溫速度的目的。

拐點段為升溫段到恒溫段的過渡階段，也是系統控制的難點，控制效果對恒溫段的控制有直接的影響，此時一般要做特殊處理，即根據主、副回路的PV、SV、MV的相互關系對副回路的SV進行限制或修正，進而達到控制副回路MV在所要求的范圍內。這樣可以限制超調或欠調幅度，還可以縮短恒溫段的穩定時間。確定升溫段與拐點段的分割點，控制方式發生變化，由單級PID轉換為串級PID。

恒溫段為長時間保持溫度在固定值的階段，受拐點段效果影響。該段主要保證 a、b、c、d、e這五段溫區相互之間的溫差在額定的范圍內，消除溫區相互影響的關鍵不僅僅依賴PID本身的調節功能，因此還需要合理硬件本身構造保證。

4 工藝試驗結果及分析

圖4、圖5是擴散爐連續正常生產一個月后，新舊系統電池片的方塊電阻均勻性的大致對比（4-1-3管是串級系統，4-1-2管、4-1-4管是單回路系統），其中圖4為整管電池片不均勻性的比較，圖5為單片電池內不均勻性的比較。從兩圖的比較可以看出串級控制系統的整管方塊電阻不均勻性比單回路控制方式的方塊電阻的不均性的波動明顯要低，而串級控制系統的單片片內不均勻性也要優于單回路控制方式的方塊電阻。

圖4 整管電池片不均勻性比較

圖5 單片電池內不均勻性比較

表1 溫度串級控制擴散工藝測試數據

表1為溫度串級控制擴散工藝在方塊電阻為60Ω的測試數據，可以看出，溫度串級控制擴散爐的片內、片間、批間均勻性都達到了國際先進、國內領先水平。

5 結 論

串級溫度控制系統為閉環反饋控制，使爐管內實際溫度與設定溫度一致，提高溫度控制的響應時間，有效消除由于溫度波動引起的擴散工藝不穩定，為晶體硅電池高阻提供了更精確的溫度保證。

[1]向小龍，禹慶榮，文庚云，等.光伏行業擴散爐的技術現狀及發展趨勢[J].太陽能，2007(11)：32-33.

[2]劉良玉，彭志堅.軟著陸潔凈閉管擴散爐研制[J].電子工業專用設備，2010，181：39-42.

[3]Ruono P.J.，Fleming P.Jones，Connectionist approach PID autotming，IEEE PROCEEDINGS，Vol.139，1992(3).

[4]龍占勇，鄧斌，羅心蕾.LTCC專用燒結設備溫度串級控制系統的實現[J]，2010，180:41-44.