DE2211846C3 - Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung benachbarter Zonen einer Heizkammer, insbesondere für Diffusionsöfen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung benachbarter Zonen einer Heizkammer, insbesondere für Diffusionsofen, bei der jeder Zone ein gesonderter, aus zwei Teilstrecken bestehender, zwischen je einem Endabgang einer Heizwicklung der Heizkammer und einem Transformator liegender Stromkreis zugeordnet ist, der mindestens ein von einem Regelaggregat beeinflußtes Sperrelement aufweist.

Eine derartige Schaltungsanordnung wird bei Diffusionsofen bereits benutzt, in welchen zur Herstellung von Halbleitersystemen Silizium- oder Germaniumscheiben durch Aufbringen von Dotierungssubstanzen dotiert werden. Solche öfen weisen rohrförmige Heizkammern auf, die auf etwa 400 bis 1400⁰C aufgeheizt werden können. Da die Kammertemperatur die Diffusionsgeschwindigkeit direkt beeinflußt, macht die notwendige Genauigkeit der Dotierung eine genaueste Konstanz der festgelegten Temperatur unerläßlich, wobei meist Toleranzen von nur 0,25⁰C eingehalten werden müssen. Je nach Art der herzustellenden Halbleitersysteme — Dioden, Transistoren, integrierte Schaltungen usw. — und der der Dotierungssubstanzen müssen die Kammertemperaturen oftmals z. B. dreißig Tage lang innerhalb der genannten Toleranzen konstant gehalten bleiben.

Dies setzt ein besonders empfindliches und zugleich zuverlässiges Regelungssystem voraus. Bei der derzeit benutzten Ausführung ist die Heizkammer in drei Zonen unterteilt, von denen praktisch nur der mittlere Teil der Mittelzone für die Dotierung benutzt wird, während den linken und rechten Randzonen eine Art Pufferfunktion zukommt zur Abschirmung schwankender Außentemperaturen u. dgl.

Die gleiche Schaltungsanordnung kann auch auf anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, wie z. B. bei Lötofen, in der Kältetechnik oder bei Trockenkammern u.dgl., wo mehrere benachbarte Zonen in einem bestimmten, elektrisch meß- und regelbaren Zustand gehalten werden sollen. Sie ermöglicht auch ein Hintereinanderschalten mehrerer Zonenstrecken, z. B. zur Stabilisierung mehrerer verschiedener Nutzplateaus, wie es etwa in der Dickfilmtechnik oder Hybridtechnik erfolgen kann, wobei jedes Plateau wiederum eine besondere Drei- oder Mehrzonensteuerung verlangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Schaltungsanordnung bei qualitativ unverminderter Funktion mit weniger Einzelteilen auszubilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Diese Lösung hat den Vorteil, daß sie gegenüber der bisher bekannten Schaltungsanordnung eine geringere Zahl von Gleichrichtern aufweist und die teilweise Anordnung von Dioden an Stelle der sonst unerläßlichen Thyristoren erlaubt. Auch können die in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung notwendigen Thyristo ren in kleinerer Größe verwendet werden, da beim Halbwellenbetrieb gemäß der Erfindung höhere Spannungen angelegt werden, die bei gleicher Leistung zu geringeren Stromstärken führen. Die Stromstärke ist hier für die Größe der Thyristoren aber allein bestimmend, da deren Spannungswerte in aller Regel weit über dem Bedarf liegen.

Ein besonderer Vorteil liegt weiter darin, daß die ganze, mehrzonige Heizkam.ner mit nur einem Transformator betrieben werden kann, der zudem kleiner als bei der bisher bekannten Schaltungsanordnung bemessen sein kann. Der früher rein theoretisch angenommene Vorteil, z. B. bei Dreikammeröfen im Drehstrombetrieb eine Nullpunktverschiebung im Netz dadurch zu verhindern, daß jede Phase in versetzter Anordnung an je einen Transformator jeder Heizkammer angelegt wird, hat sich im praktischen Betrieb als irrig bzw. unwesentlich erwiesen, da die Heizkammern nur selten alle zugleich in Benutzung stehen. Es besteht im Gegenteil bei einer solchen Anordnung sogar die Gefahr, daß bei einem etwaigen Ausfall einer Phase die Chargen aller drei Heizkammern unbrauchbar werden. Daher ist es zweckmäßiger, jede Heizkammer mit einer Phase zu betreiben, was auch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht. Diese läßt im übrigen sowohl eine Phasenanschnittschaltung wie auch eine Impulspaketschaltung zu, und sie erlaubt den Anschluß der Teilstrecken aller Zonen an nur einen gemeinschaftlichen Transformator.

Zweckmäßigerweise bilden die durch die Teilstrecken gebildeten beiden Leitungsschleifen der Randzonen mit ihren je in Reihe geschalteten Gleichrichtern zusammen

em antiparalleles System. Dadurch wird erreicht, daß die ,ine Leitiuigsschleife stets nur für die negativen und die IB&re nur für die positiven Halbwellen des Wechselstroms durchlässig isL

Die Mittelzone kann an zwei in haJbgesteuener Brocke geschaltete, durch die Teilstrecken gebildete XeHungsschleifen angeschlossen sein oder sie kann in enndestens ein Zonenpaar unterteilt sein, dessen beide rfprch die Teilstrecken gebildete Leitungsschleifen mit Iveti je in Reihe geschalteten Gleichrichtern zusammen ei« antiparalleles System bilden. Im ersteren FqIl wird tfje gesamte Mittelzone von beiden Halbwellen im Wechsel gespeist und im anderen Fall wird - in der Reichen Art wie vorbeschrieben bei den Randzonen — jede Hälfte des Zonenpaars von je einer Halbwe'Je betrieben. Die letztgenannte Variante hat zudem noch den besonderen Vorteil, daß die Halbierung der Mittelzone eine beachtliche Verkleinerung des Transformators ermöglicht, da sie ja auch eine entsprechende Verkleinerung der erforderlichen Betriebsspannung zur » Folge hat

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung für drei Zonen,

Fig. 2 den Stromfluß zum Ausführungsbeispiei nach F1 g. I in vier verschiedenen Steuerphasen a. b. cund d.

F i g. 3 ein Schaltbild eines zweiten Aesführungsbeispiels der Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung füf vier Zonen und

F1 g. 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3.

F i g. 1 zeigt eine Heizwicklung H einer Heizkammer K. welche in eine Mittelzone MZ und in zwei Randzcnen RZI und RZr unterteilt ist. Jeder Zone iit ein Regelaggregat A zugeordnet, das aus einer bekannten Regelstrecke besteht. Besonders bewährt hat sich ein Platin-Rhodium-Thermoelement mit einer Regeltoleranz von etwa 2 bis 2,5 μν (entsprechend etwa 0,25⁰C). dessen Istwerte über Sollwertvergleich in steuerbaren Gleichrichtern ΛΊ, X 2, .Y 5, X6 zugeleitete Signale umgesetzt werden.

Bei dieser Anordnung zur Leistungsregelung wird für alle Zonen nur ein gemeinschaftlicher Transformator T benötigt, dessen Sekundärwicklung mehrere Anzapfungen 1.2,3 erhält Bei dem Beispiel nach F i g. 1 sind diese Anzapfungen so verteilt, daß die Spannung UX zwischen den Anzapfungen 1 und 2 auf die Leistung der Heizwicklung Hin den Randzonen RZX bzw. RZrund die Spannung t/2 zwischen den Anzapfungen 1 und 3 auf diejenige der Mittelzone MZabgestellt ist

Die Endabgänge der Heizwicklung H in der Mittelzone MZ gemäß Fig. 1, die zugleich auch Randzonenabgänge für die Randzonen RZX und RZr sind, sind zusammengeschlossen auf die Anzapfung 1 geführt. Sie enthalten vor ihrem Zusammenschluß je einen nicht steuerbaren Gleichrichter X 3 und X 4, die zueinander in Serienschaltung angeordnet sind. Auf die Anzapfung 2 dagegen sind die äußersten Endabgänge der Randzonen RZX und RZr geführt und in diese Endabgänge ist je ein steuerbarer Gleichrichter — bevorzugt ein Thyristor — XX und X 2 so eingeschaltet, daß er in einem Endabgang zur Heizwicklung H hin und im anderen Endabgang von ihr weg gerichtet ist. Sind die beiden Randzonen RZ \ und RZr für gleiche Leistung bemessen, dann können — wie in F i g. 3 dargestellt — beide Teilstrecken zusammengefaßt auf eine Anzapfung 2 geführt werden. Andererseits steht dem nichts im Wege, die Randzonen auch verschieden auszulegen, in welchem Falle jede Teilstrecke gemäß F i g. 1 auf eine gesonderte Anzapfung 2 bzw. 2a geführt wird (gegebenenfalls auch gekreuzt, wie in F i g. 1 gestrichelt angedeutet ist).

Die Anzapfung 3 ist im Regelfalle auf das volle Potential der Sekundärwicklung geiegt, kann aber natürlich auch ohne weiteres an jede beliebige Stelle geringerer Spannung gelegt werden. Auf sie sind zwei weitere Teilstrecken geführt die von den Mittelzonenabgängen ausgehen und ebenfalls je einen steuerbaren Gleichrichter XS und X6 enthalten. Auch diese Gleichrichter sind bei der einen Teilstrecke zur Heizwicklung H hin und bei der anderen von ihr weg gerichtet.

Es entstehen auf diese Weise sechs Teilstrecken mil je einem Gleichrichter jeweils zwischen einem der Heizwicklungsabgänge und einem PoJ der Stromquelie. Zwei dieser Teilstrecken — vom einen Pol aus auf die beiden Mittelzonenabgänge — sind mit nicht steuerbaren Gleichrichtern versehen, und diese beiden Teilstrekken werden in zwei benachbarten Stromkreisen benutzt, so daß insgesamt vier durch die Gleichrichter voneinander unabhängige Stromkreise möglich sind, wie dies in F i g. 2 schematisch dargestellt ist

Die Gleichrichter sind, bezogen auf diese vier Leitungsschleifen a. b. c und d gemäß F i g. 2, so angeordnet, daß sie in jeder Leitungsschleife in Serie geschaltet sind. Bei der Verwendung positiv ausgelegter Thyristoren und Dioden entstehen dann folgende Stromflüsse:

a) positive Halbwelle über den gesteuerten Gleichrichter X 2 zur Randzone RZr und über den ungesteuerten Gleichrichter X4 zurück,

b) negative Halbwelle über den ungesteuerten Gleichrichter A'3 zur Randzone RZX und über den gesteuerten Gleichrichter X1 zurück,

c) positive Halbwelle über den gesteuerten Gleichrichter Λ 6 zur Mittelzone MZ und über den ungesteuerten Gleichrichter λ" 4 zurück,

d) negative Halbwelle über den ungesteuerten Gleichrichter X3 zur Mittelzone MZ und über den gesteuerten Gleichrichter X 5 zurück.

Jeder dieser Stromkreise kann bei gegebenen Steuersignalen allein oder auch mit anderen gleichzeitig geschlossen sein, während ein unerwünschter Gegenstrom jeweils durch mindestens einen Gleichrichter gesperrt ist. Der beim Halbwellenbetrieb, z. B. der Randzonen RZ X oder RZr entstehende Leistungsverlust kann ohne weiteres durch eine entsprechende Spannungserhöhung an der Anzapfung 2 kompensiert werden, während der effektive Stromverlust durch Blindstrom unbedeutend ist, da in aller Regel die beiden Randzonen RZX und RZr etwa gleichzeitig und in gleichem Umfange betrieben werden, wodurch auch eine etwaige Phasenverschiebung nur gering sein kann.

Während bei dem Beispiel nach Fig. 1 die Mittelzone MZ in üblicher Weise mit Vollwellen betrieben wird, zeigt das Beispiel nach F i g. 3, daß die Mittelzone MZ auch halbiert werden kann. Dann ist jede Hälfte MZI und MZr je mit Halbwellen in der gleichen Weise wie die Randzonen RZX und RZr zu betreiben. Hier sind dann nur am mittleren Abgang der Heizwicklung H zwei Leitungsschleifen angeschlossen und die steuerbaren Gleichrichter X5 und Xh sind in diese antiparallel eingeschaltet. Die Stromflüsse sind sinngemäß die gleichen wie in Fig. 2 dargestellt, jedoch um eine

zusätzliche Zone erweitert. Die Steuersignale können gemäß F i g. 3 für die beiden Hälften MZ1 und MZr der Mittelzone MZ zugleich von einem Regelaggregat A aus auf die beiden Gleichrichter X 5, X 6 eingegeben werden oder die beiden Hälften werden durch Zuschalten eines weiteren Regelaggregats A getrennt ausgesteuert. Die letztere Form — wie in F i g. 3 veranschaulicht — hat einmal den Vorteil einer noch genaueren Temperaturkonstanz in der Nutzzone und sie gewährleistet zum andern auch den Ausgleich einer etwaigen Phasenverschiebung, die durch den Halbwellenbetrieb eintreten kann.

Die Halbierung der Mittelzone MZ gemäß den F i g. 3 und 4 bewirkt eine entsprechende Verkleinerung der erforderlichen Betriebsspannung Wl zwischen den Anzapfungen 1 und 3; auch wenn die Spannung wegen des Halbwellenbetriebs um ein gewisses Maß erhöht werden muß. so erlaubt dies doch eine beachtliche Verkleinerung des Transformators T. Sind z. B. die Randzonen RZ1, RZrxind die Hälften MR t. MZrgleich groß bemessen, dann können gemäß F i g. 4 die einen Teilstrecken aller Zonen gemeinschaftlich an die eine Anzapfung gelegt werden, die dann zugleich das Ende der Sekundärwicklung des Transformators Γ bildet. In sinngemäß gleicher Weise kann natürlich die Heizkammer K bzw. deren Heizwicklung H in noch mehr Zonen unterteilt werden, die mit Zuordnung weiterer Gleichrichter am Transformator Tangeschlossen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung benachbarter Zonen einer Heizkammer, insbesondere für Diffusionsofen, bei der jeder Zone ein gesonderter, aus zwei Teilstrecken bestehender, zwischen je einem Endabgang einer Heizwicklung der Heizkammer und einem Transformator liegender Stromkreis zugeordnet ist, der mindestens ein von einem Regelaggregat beeinflußtes Sperrelement aufweist,· dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrecken aller Zonen (Randzonen RZI, RZr. Mittelzonen MZ; Hälften MZi, ΜΖή der Heizkammer (K) an einem diesen gemeinsamen Transformator (T) angeschlossen sind, daß als Sperrelement ein steuerbarer Gleichrichter (XX, X 2, X 5, X 6) in der einen Teilstrecke mit einem nicht steuerbaren Gleichrichter (X 3, X4) in der anderen Teilstrecke in Reihe liegt und daß die die nicht steuerbaren Gleichrichter (X 3, X 4) enthaltenden Teilstrecken von je zwei benachbarten Zonen {Randzone RZr, Mittelzone MZ; Randzone RZX, Mittelzone MZ)gemeinsam benutzt sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Teilstrecken gebildeten beiden Leitungsschleifen der Randzonen (RZX, RZr) mit ihren je in Reihe geschalteten Gleichrichtern (XX, X 3; X 2, X 4) zusammen ein antiparalleles System bilden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelzone (MZ) an zwei in halbgesteuerter Brücke (X 5, A3; X 6, X 4) geschaltete, durch die Teilstrecken gebildete Leitungsschleifen angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelzone (MZ) in mindestens ein Zonenpaar (Hälften MZX, MZr) unterteilt ist, dessen beide durch die Teilstrecken gebildete Leitungsschleifen mit ihren je in Reihe geschalteten Gleichrichtern (X5, X4; λ" 6, X 3) zusammen ein antiparalleles System bilden.