浅谈高频干扰对硅芯炉的影响及防护措施

2012-06-28雷小博

电子工业专用设备 2012年4期

吴斌，姚婕，雷小博

(西安理工晶体科技有限公司，陕西西安710077)

早期的硅芯炉单炉次只能拉制1根硅芯，其母料一般为准28～准40 mm，高频电源的振荡频率通常是2.1～2.3 MHz。随着多晶硅产能的不断提高，新型的硅芯炉具备每炉次拉制15～21根准8～准10 mm硅芯棒的能力，这样的产量需要的母料规格一般都在准80～准110 mm之间，如果还用原来高频电源的振荡功率和振荡频率来熔料，效率非常低。由于高频的振荡频率越高，母料表面的集肤效应越强，化料速度越快。故现在的高频电源都将自身的振荡频率提高到2.8～3.0 MHz，以便熔化大直径的母料。随着振荡频率的升高，高频噪声在硅芯炉运行时的干扰作用也就越来越明显。轻则影响电气仪表的显示，重则影响硅芯炉速度系统，导致拉制出非等径的硅芯棒。可以说高频干扰是硅芯炉能否稳定运行的一道难题。

1 高频噪声对硅芯炉电气系统的干扰和危害

高频噪声分为两种传播方式。一种为传导方式，另一种为空间辐射方式。传导方式是指高频噪声通过导线、地线等导体进入到被干扰设备，影响其正常工作。而空间辐射是高频噪声在空气中以“场”传播，对电气设备及其元件进行干扰。

1.1 高频噪声对交流供电系统及其相关电气元件的干扰

高频电源不但是高频电磁发生源，同时也是一个高次谐波发生器，这是因为高频设备普遍使用可控硅整流技术，整流过程中会产生5、7、11……等高次谐波。这种高次谐波串入电网使得电网电压和电流发生畸变。硅芯炉电气控制柜使用的是AC 220 V/50 Hz电源与高频电源在同一配电网络（见图1）。高次谐波随配电线路进入电气控制柜内部。部分电气元件由于内部没有良好的滤波装置则受干扰十分明显。例如用于硅芯棒计长的频率计数器受到电源中高频干扰，无法正常工作，表头数字显示呈现不规则计数，甚至乱跳字现象导致拉晶人员无法判断当前的晶体生长情况。带有指示灯的按钮在高频干扰下，会出现指示灯自动点亮的现象。操作人员不能正确判断按钮工作状态。

图1 高频电源与电气控制柜连线图

1.2 高频噪声对直流供电系统及其相关电气元件的干扰

硅芯炉电气控制柜的直流系统是由工频电压，通过开关电源变换到DC 24 V、DC 5 V，继而给PLC、继电器、编码器等元件供电。由于交流线路上本身就存在干扰，通过导线干扰也会传到开关电源。同时开关电源本身就是高频设备，更加容易受到高频噪声干扰。生成的直流电源中杂波很多。具体现象为：在没开启高频电源的情况下，所有电气元件都可以正常使用，但是高频电源开启，某些直流供电元件就无法正常使用甚至被损坏。举例来说，炉体上面有大量直流供电的测量传感器，如水流量计和压力计等，在高频开启后传输倒PLC的A/D模块的数据跳动很大，基本无法参考。甚至有些传感器工作一段时间后电源损坏。

1.3 通过空间和传导干扰信号线

设备炉体接线复杂且线距长，高频噪声通过空间干扰信号线传输。信号线传输的都是低频弱信号，一旦受到干扰，数据采集就不准确。TDL-GX36-5型硅芯炉提拉头的晶升电机采用的是7 V，1 000 r/min的测速电机来反馈信号，一般正常拉晶时的测速电机输出的电压只有几十毫伏，这样的信号经过长距离传输且在高频噪声环境下，传回PLC后，十分不准确也不稳定。高频噪声对编码器的脉冲信号也会产生干扰。通过示波器可以看出，高频电源开启后脉冲方波中存在很多杂波。这样会使PLC计数模块丢失脉冲。实际使用中确实存在实际计长与计数模块产生的数据有偏差的情况。

1.4 高频对设备地线的干扰

常用方式是高频电源和电气控制柜串联，然后多套设备再并联单点接地。往往此接地点就指在厂房内某一处的接地铜排。（见图2）。高频噪声会增加接地线的接地阻抗。同时由于高频电源和电气控制柜的地电位不一样，电气控制柜的地电位会受到高频电源工作电流的调制，高频噪声会通过地线耦合进电气控制柜。而且每套设备相对接点地的距离不同。每套设备的地电位也不相同，互相干扰。产生的现象是近地点设备，干扰小一点，远端的设备干扰随距离增加而增加。

图2 设备单点接地示意图

2 防治措施

2.1 220 V电源系统

交流系统是高频噪声干扰的主要途径，因此如何抑制电源系统的干扰就成为提高电气设备抗干扰性能的一个重要课题。由于高频电源和电气控制柜在同一个配电线路，对此可以采用低通滤波器滤除高频电源产生的高次谐波。滤波器种类很多，常采用的是T型，π型，L型以及他们的组合型。这些滤波器由于体积原因常安装于高频电柜内。图3所示为几种常用低通滤波器。

对于有条件的厂家在设计厂房时，最好是将高频电源和电气控制柜独立配电，杜绝电源上面的传导干扰。根据实际使用效果此方式的效果最好。

图3 典型低通滤波器

2.2 直流供电系统

在采取第2.1的方案后可以切断线路传导干扰但是不能消除空间干扰对开关电源的干扰。空间干扰主要是从屏蔽的角度来解决，可以将开关电源置于一个屏蔽的空间内，屏蔽层与保护地连接。这样就需要对电气控制柜内部的结构有合理的布局。

同时可以采用线性电源来代替开关电源使用。线性电源外部全封闭屏蔽性好，输出纹波小，对负载的干扰小。用它来代替开关电源后直流电源系统的质量得到提升，电气元件可以正常工作。

2.3 信号线

电气控制柜要正常运行，首先应正确无误地检测到被测信号，若信号受到严重干扰，导致信号难以辨识。尤其是1.3讲到的电气控制柜中多使用的直流和低频信号且幅值都偏小。在高频噪声传导干扰和辐射干扰的情况信号可能被淹没于干扰之中，为了还原信号，可以采取以下措施：

（1）提高信号幅值。从抑制传输干扰角度看，提高信号幅值是一种简单有效的方式，提高信号幅值相当于就提高了“信噪比”增强了信号在传输过程中的抗高干扰能力。前文提到的直流伺服测速电机反馈信号只有几十毫伏的信号，可以通过提高传动机构的减速比，提高伺服电机运行速度，从而提高测速电机反馈信号的强度。

（2）滤波装置。对于低频或直流信号还经常采用低通滤波器只让低频成分通过，而高于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。比如在电机测速部分可以选取伺服电机配套的专用滤波器。

（3）屏蔽线缆。对于导线偏长，曝露在高频噪声之下的信号线，必须采用双绞屏蔽导线，双绞线互相绞合，导线上可以产生相反的电动势，因此对外部干扰磁通的抑制较强。注意的是屏蔽层必须一点或者两点接地。如图4所示。

图4 屏蔽层的2点接地

为了加强编码器脉冲信号在高频下抗干扰能力，可以采取更换编码器输出方式来增加抗干扰能力。原来设备上面基本采用的是采用集电极开路输出方式，驱动能力差，一般只能传输4～5 m的距离。可采用线驱动输出方式的编码器，由于输出采用RS-422标准具有高速、长距离的输出特点。信号以差分式输出，抗干扰能力强。同时也可以采用编码器专用线传输。