一种多晶硅还原炉启动方法及系统[发明专利]

*CN102259861A*

(10)申请公布号 CN 102259861 A(43)申请公布日 2011.11.30

(12)发明专利申请

(21)申请号 201110154306.9(22)申请日 2011.06.09

(71)申请人重庆大全新能源有限公司

地址404000 重庆市万州区龙都大道666号(72)发明人王清华

(74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限

公司 11227

代理人逯长明(51)Int.Cl.

C01B 33/035(2006.01)

权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页

(54)发明名称

一种多晶硅还原炉启动方法及系统(57)摘要

本发明公开了一种多晶硅还原炉的启动系统，该多晶硅还原炉中的硅芯对呈外环、中环和内环排列，外环包括外环一、外环二和外环三，中环包括中环一和中环二，该启动系统包括：交流高压电源、直流预启动电源、直流运行电源、电源切换装置、控制装置、多个高压隔离开关和多个接地保护电路。在本发明公开的启动系统中，无需对硅芯进行外部烘烤，缩短了启动时间，相应的提高了生产效率，并降低了生产成本；由于只有位于外环的硅芯对接入交流高压电源，因此只有与位于外环的硅芯对所对应的电极、以及位于外环的硅芯对与交流高压电源之间的电缆需要采用高绝缘等级材料制造，进一步降低了生产成本。本发明还公开了一种多晶硅还原炉的启动方法。CN 102259861 ACN 102259861 ACN 102259864 A

权 利 要 求 书

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1.一种多晶硅还原炉的启动系统，其特征在于，所述多晶硅还原炉中的硅芯对呈外环、中环和内环排列，所述外环包括外环一、外环二和外环三，所述中环包括中环一和中环二，所述启动系统包括：交流高压电源、直流预启动电源、直流运行电源、电源切换装置、控制装置、多个高压隔离开关和多个接地保护电路；

所述电源切换装置包括交流高压电源开关、直流预启动电源开关和直流运行电源开关；所述交流高压电源通过所述交流高压电源开关分别向位于所述外环的硅芯对供电；所述直流预启动电源通过所述直流预启动电源开关分别向位于所述外环、中环和内环的硅芯对供电；所述直流运行电源通过所述直流运行电源开关分别向位于所述外环、中环和内环的硅芯对供电；位于所述外环的硅芯对与所述直流预启动电源之间设置所述高压隔离开关；位于所述外环的硅芯对与所述直流运行电源之间设置所述高压隔离开关；所述直流预启动电源、直流运行电源和所述交流高压电源分别连接有所述接地保护电路；所述控制装置分别与所述电源切换装置、所述多个高压隔离开关连接；通过所述电源切换装置依次切换所述交流高压电源、直流预启动电源和直流运行电源为所述还原炉供电。

2.根据权利要求1所述的启动系统，其特征在于，所述电源切换装置进一步包括：设置于所述交流高压电源开关和位于所述外环一的硅芯对之间的真空接触器；设置于所述交流高压电源开关和位于所述外环二的硅芯对之间的真空接触器，设置于所述交流高压电源开关和位于所述外环三的硅芯对之间的真空接触器。

3.根据权利要求1或2所述的启动系统，其特征在于，所述电源切换装置进一步包括：设置于所述多晶硅还原炉的各硅芯对与所述直流预启动电源开关之间的直流接触器。4.根据权利要求3所述的启动系统，其特征在于，所述电源切换装置进一步包括：设置于所述多晶硅还原炉的各硅芯对与所述直流运行电源开关之间的直流接触器。5.根据权利要求1所述的启动系统，其特征在于，所述与交流高压电源连接的接地保护装置中设置消谐电阻或消谐线圈。

6.一种多晶硅还原炉的启动方法，用于权利要求1所述的启动系统，其特征在于，所述启动方法包括：

将交流高压电源通入位于外环的硅芯对中；当满足第一切换条件时，切断所述交流高压电源；将直流预启动电源通入位于外环、中环和内环的硅芯对中；到满足第二切换条件时，切断所述直流预启动电源；将直流运行电源通入位于所述外环、中环和内环的硅芯对中。7.根据权利要求6所述的启动方法，其特征在于，所述第一切换条件为：所述位于外环的硅芯对的击穿电流达到10安培并持续1分钟；所述第二切换条件为：所述位于外环、中环和内环的硅芯对的击穿电流的电流值与所述直流运行电源的电流值一致。

8.根据权利要求6或7所述的启动方法，其特征在于，将交流高压电源通入位于外环的硅芯对的步骤，具体为：逐次将所述位于外环一、外环二和外环三的硅芯对接入所述交流高压电源。

9.根据权利要求8所述的启动方法，其特征在于，将直流预启动电源通入位于外环、中环和内环的硅芯对的步骤，具体为：逐次将所述位于外环、中环和内环的硅芯对接入所述直

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权 利 要 求 书

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流预启动电源。

10.根据权利要求8所述的启动方法，其特征在于，将直流运行电源通入位于外环、中环和内环的硅芯对的步骤，具体为：逐次将所述位于外环、中环和内环的硅芯对接入所述直流运行电源。

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说 明 书

一种多晶硅还原炉启动方法及系统

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技术领域

[0001]

本发明属于多晶硅生产技术领域，尤其涉及一种多晶硅还原炉启动方法及系统。

背景技术

硅材料是半导体工业、电子信息产业和太阳能光伏电池产业中最重要功能性材料，多晶硅作为制备单晶硅的唯一原料和生产太阳能电池的材料，其需求量日益增大。采用多晶硅还原炉生产多晶硅时，都是将硅芯作为发热体，当炉内温度达到1100℃左右时，进入到多晶硅还原炉内的氢气和三氯氢硅发生还原反应，生成的硅沉积在硅芯上。[0003] 由于硅在常温时导电性能很差、电阻率很高，因此使用常规电压电源不能对硅芯进行初始启动加热。为解决上述问题，现有技术中主要有两种方案：一是通过外部电辐射加热器对硅芯进行加热来降低硅芯的电阻率，以此实现低电压启动；二是对各个硅芯对加载高电压电源，在很短时间内改变硅芯导电特性，使电流强行通过硅芯，随着硅芯温度的升高，其电阻率逐渐下降，在一定时间后转入低电压电源供电。[0004] 但是，上述两种启动方式均具有缺陷：在第一种方案中，外部加热的时间至少要持续半个小时，这导致启动时间过长，从而降低生产效率，并且加热过程会消耗大量能源，导致生产成本的增加；在第二种方案中，每个硅芯对均接入高压电源，相应的多晶硅还原炉的所有电极以及电缆都要采用高绝缘等级材料制造，而且随着硅芯数量的增加，生产成本会大幅度增加。

[0002]

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多晶硅还原炉启动方法及系统，可以缩短还原炉的启动时间，提高生产效率，并有效降低生产成本。[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0007] 一种多晶硅还原炉的启动系统，所述多晶硅还原炉中的硅芯对呈外环、中环和内环排列，所述外环包括外环一、外环二和外环三，所述中环包括中环一和中环二，所述启动系统包括：交流高压电源、直流预启动电源、直流运行电源、电源切换装置、控制装置、多个高压隔离开关和多个接地保护电路；

[0008] 所述电源切换装置包括交流高压电源开关、直流预启动电源开关和直流运行电源开关；所述交流高压电源通过所述交流高压电源开关分别向位于所述外环的硅芯对供电；所述直流预启动电源通过所述直流预启动电源开关分别向位于所述外环、中环和内环的硅芯对供电；所述直流运行电源通过所述直流运行电源开关分别向位于所述外环、中环和内环的硅芯对供电；位于所述外环的硅芯对与所述直流预启动电源之间设置所述高压隔离开关；位于所述外环的硅芯对与所述直流运行电源之间设置所述高压隔离开关；所述直流预启动电源、直流运行电源和所述交流高压电源分别连接有所述接地保护电路；所述控制装置分别与所述电源切换装置、所述多个高压隔离开关连接；通过所述电源切换装置依次切换所述交流高压电源、直流预启动电源和直流运行电源为所述还原炉供电。

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CN 102259861 ACN 102259864 A[0009] [0010] [0011] [0012] [0013] [0014]

说 明 书

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一种多晶硅还原炉的启动方法，用于前述的启动系统，所述启动方法包括：

将交流高压电源通入位于外环的硅芯对中；当满足第一切换条件时，切断所述交流高压电源；将直流预启动电源通入位于外环、中环和内环的硅芯对中；到满足第二切换条件时，切断所述直流预启动电源；

将直流运行电源通入位于所述外环、中环和内环的硅芯对中。

[0015] 由此可见，在本发明上述公开的多晶硅还原炉的启动系统中，多晶硅还原炉中的硅芯对呈外环、中环和内环排列，直接利用交流高压电源对位于外环的硅芯对进行击穿加热，同时对位于中环和内环的硅芯对进行烘烤，之后直接采用直流预启动电源启动位于中环和内环的硅芯对。整个多晶硅还原炉启动过程中，无需对硅芯进行外部烘烤，缩短了启动时间，相应的提高了生产效率，并降低了生产成本；由于只有位于外环的硅芯对接入交流高压电源，因此只有与位于外环的硅芯对所对应的电极、以及位于外环的硅芯对与交流高压电源之间的电缆需要采用高绝缘等级材料制造，进一步降低了生产成本。附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1为硅芯对的结构示意图；

[0018] 图2为本发明公开的多晶硅还原炉中硅芯对的分布示意图；

[0019] 图3为本发明公开的一种多晶硅还原炉的启动系统的结构示意图；[0020] 图4为本发明公开的另一种多晶硅还原炉的启动系统的结构示意图；[0021] 图5为本发明公开的一种多晶硅还原炉的启动方法的流程图。

具体实施方式

[0022] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明公开一种多晶硅还原炉的启动系统，可以缩短还原炉的启动时间，提高生产效率，并有效降低生产成本。

[0024] 多晶硅还原炉中设置有复数个硅芯，在装炉前将硅芯搭接成若干个闭合回路，每个闭合回路都由两根竖硅芯11和一根横硅芯12组成(如图1所示)，每个闭合回路为一个硅芯对。每个硅芯对中的两个竖硅芯11分别接在还原炉炉底的两个电极上，电极分别接通电源，对由两根竖硅芯11和一根横硅芯12形成的回路进行导电加热，每个硅芯对相当于一个电阻负载。

[0025] 在本发明中，多晶硅还原炉中的硅芯对呈外环、中环和内环排列，并且，位于外环的硅芯对被进一步划分为外环一、外环二和外环三，位于中环的硅芯对被进一步划分为中

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说 明 书

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环一和中环二。具体的，位于外环、中环和内环的硅芯对的数量，可根据多晶硅还原炉中硅芯对的总数量进行调整。以18对棒还原炉为例(如图1所示)，位于外环一、外环二、外环三、中环一、中环二和内环的硅芯对的数量分别为3，当然，各环所包含硅芯对的数量并不限于上述描述。

[0026] 参见图3，图3为本发明公开的一种多晶硅还原炉的启动系统的结构示意图。该启动系统包括交流高压电源31、直流预启动电源32、直流运行电源33、电源切换装置34、控制装置35、多个高压隔离开关36和多个接地保护电路37。[0027] 其中，电源切换装置34包括交流高压电源开关341、直流预启动电源开关342和直流运行电源开关343。

[0028] 交流高压电源31通过交流高压电源开关341分别向位于外环一、外环二和外环三的硅芯对供电。优选的，交流高压电源31通过交流高压电源开关341连接至交流高压母线，位于外环一、外环二和外环三的各个硅芯对并联于交流高压母线。由于母线具有汇集、分配和传送电能的作用，并且可以减小电能在传输过程中的损耗，因此，在交流高压电源31与位于外环的硅芯对之间采用母线结合电缆的方式。

[0029] 直流预启动电源32通过直流预启动电源开关342分别向位于外环、中环和内环的硅芯对(即多晶硅还原炉中的全部硅芯对)供电。优选的，直流预启动电源32通过直流预启动电源开关342连接至直流预启动母线，位于外环一、外环二和外环三的各个硅芯对并联于直流预启动母线。

[0030] 直流运行电源33通过直流运行电源开关343分别向位于外环、中环和内环的硅芯对供电。优选的，直流运行电源33通过直流运行电源开关343连接至直流运行母线，位于外环一、外环二和外环三的各个硅芯对并联于直流运行母线。[0031] 在位于外环的硅芯对与直流预启动电源32之间、以及位于外环的硅芯对与直流运行电源33之间均设置高压隔离开关36。直流预启动电源32和直流运行电源33同时也与位于外环的硅芯对连接，当将交流高压电源31接入位于外环的硅芯对时，可能会对直流预启动电源32和直流运行电源33造成损害，高压隔离开关36可以防止损害的发生。[0032] 直流预启动电源32、直流运行电源33和交流高压电源31分别连接有接地保护电路37。交流高压电源31启动时，要防止交流高压电源31产生的谐振过电压击穿电极，因此，在与交流高压电源31连接的接地保护电路37中采取消谐措施。优选的，在与交流高压电源31连接的接地保护电路37中设置消谐电阻或者消谐线圈。[0033] 控制装置35分别与电源切换装置34、多个高压隔离开关36连接。控制装置35可以控制交流高压电源开关341、直流预启动电源开关342、直流运行电源开关343和高压隔离开关36的通断。

[0034] 下面对图3所示启动系统的工作过程进行说明。[0035] 一、确保交流高压电源开关341、直流预启动电源开关342、直流运行电源开关343和高压隔离开关36均处于断开状态。[0036] 二、闭合交流高压电源开关341，将交流高压电源31接入位于外环的各硅芯对中，位于外环的各硅芯对击穿后开始发热，对位于中环和内环的各硅芯对进行烘烤。[0037] 三、当位于外环的各硅芯对中的击穿电流达到10安培，并持续1分钟之后，或者位于中环或内环的各硅芯对的温度达到300℃之后，断开交流高压电源开关341。

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说 明 书

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四、先后闭合高压隔离开关36和直流预启动电源开关342，将直流预启动电源32接入位于外环、中环和内环的各硅芯对(即多晶硅还原炉的各硅芯对)中，各硅芯对的击穿电流的电流值持续升高。[0039] 五、当多晶硅还原炉中的各硅芯对的击穿电流的电流值与直流运行电源33的最低电流一致时，断开直流预启动电源32。[0040] 六、闭合直流运行电源开关343，将直流运行电源33接入位于外环、中环和内环的各硅芯对中，各硅芯对处于运行状态，开始多晶硅生产。

[0041] 在本发明上述公开的多晶硅还原炉的启动系统中，多晶硅还原炉中的硅芯对呈外环、中环和内环排列，直接利用交流高压电源对位于外环的硅芯对进行击穿加热，同时对位于中环和内环的硅芯对进行烘烤，之后直接采用直流预启动电源启动位于中环和内环的硅芯对。整个多晶硅还原炉启动过程中，无需对硅芯进行外部烘烤，缩短了启动时间，相应的提高了生产效率，并降低了生产成本；由于只有位于外环的硅芯对接入交流高压电源，因此只有与位于外环的硅芯对所对应的电极、以及位于外环的硅芯对与交流高压电源之间的电缆需要采用高绝缘等级材料制造，进一步降低了生产成本。[0042] 参见图4，图4为本发明公开的另一种多晶硅还原炉的启动系统的结构示意图。该启动系统包括交流高压电源41、直流预启动电源42、直流运行电源43、电源切换装置44、控制装置45、多个高压隔离开关46和多个接地保护电路47。[0043] 仅就与图3所示启动系统的区别进行说明。电源切换装置44包括交流高压电源开关441、直流预启动电源开关442、直流运行电源开关443、真空接触器444、445和446。在交流高压电源开关441和位于外环一的硅芯对之间设置真空接触器444。在交流高压电源开关441和位于外环二的硅芯对之间设置真空接触器445。在交流高压电源开关441和位于外环三的硅芯对之间设置真空接触器446。真空接触器444、445和446作为子开关，通过调整其闭合断开状态，可以将位于外环一、位于外环二或者位于外环三的硅芯对连接至交流高压电源41。

[0044] 在初始阶段，真空接触器444、445和446均处于断开状态。当闭合交流高压电源开关441之后，首先闭合真空接触器444，将交流高压电源41加载至位于外环一的硅芯对上；当位于外环一的硅芯对击穿后，闭合真空接触器445，此时交流高压电源41加载至位于外环一和外环二的硅芯对上；当位于外环二的硅芯对击穿之后，闭合真空接触器446，此时交流高压电源41加载至位于外环一、外环二和外环三的硅芯对上。当然，闭合真空接触器的顺序并不限于上述描述，只要将位于外环一、外环二和外环三的硅芯对逐次连接至交流高压电源41即可。[0045] 优选的，电源切换装置还可以进一步包括：设置于多晶硅还原炉的各硅芯对与直流预启动电源开关之间的直流接触器；设置于多晶硅还原炉的各硅芯对与直流运行电源开关之间的直流接触器。[0046] 在初始阶段，设置于多晶硅还原炉的各硅芯对与直流预启动电源开关之间的直流接触器均处于断开状态，设置于多晶硅还原炉的各硅芯对与直流运行电源开关之间的直流接触器均处于断开状态。

[0047] 在断开交流高压电源开关，将直流预启动电源加载至位于外环、中环和内环的过程中：首先闭合高压隔离开关和直流预启动电源开关，之后逐次闭合位于多晶硅还原炉的

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说 明 书

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各硅芯对与直流预启动电源开关之间的直流接触器，将各硅芯对逐次接入直流预启动电源中。

[0048] 在断开直流预启动电源开关，将直流运行电源加载至位于外环、中环和内环的过程中：首先闭合高压隔离开关和直流运行电源开关，之后逐次闭合位于多晶硅还原炉的各硅芯对与直流运行电源开关之间的直流接触器，将各硅芯对逐次接入直流运行电源中。[0049] 基于本发明上述公开的多晶硅还原炉的启动系统，本发明还公开了一种多晶硅还原炉的启动方法，如图5所示。包括：[0050] 步骤S51：将交流高压电源通入位于外环的硅芯对中。[0051] 位于外环的硅芯对接入交流高压电源后，高压电源在很短时间内改变硅芯对的导电特性，使电流强行通过硅芯对，位于外环的硅芯对击穿后开始发热，对位于中环和内环的硅芯对进行烘烤。[0052] 步骤S52：当满足第一切换条件时，切断所述交流高压电源。[0053] 步骤S53：将直流预启动电源通入位于外环、中环和内环的硅芯对中。[0054] 该第一切换条件优选为：位于外环的硅芯对的击穿电流达到10安培并且持续1分钟。或者，位于中环和内环的硅芯对的温度达到300℃。当满足第一切换条件时，通过关断交流高压电源开关来切断交流高压电源，并将直流预启动电源通入多晶硅还原炉中的各硅芯对中。

步骤S54：到满足第二切换条件时，切断所述直流预启动电源。

[0056] 该第二切换条件为：位于外环、中环和内环的硅芯对的击穿电流的电流值接近直流运行电源的电流值；或者位于外环、中环和内环的硅芯对的击穿电流的电流值与直流运行电源的电流值一致。[0057] 步骤S55：将直流运行电源通入位于所述外环、中环和内环的硅芯对中。[0058] 优选的，将交流高压电源通入位于外环的硅芯对的过程中：逐次将所述位于外环一、外环二和外环三的硅芯对接入所述交流高压电源。[0059] 优选的，将直流预启动电源通入位于外环、中环和内环的硅芯对的过程中：逐次将所述位于外环、中环和内环的硅芯对接入所述直流预启动电源。[0060] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。[0061] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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说 明 书 附 图

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图1

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图3

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