KR100966515B1 - Power supply device for manufacturing polysilicon - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 지멘스 공법을 이용하여 태양전지 등에 사용되는 폴리실리콘을 제조하는 제조장치에 전원을 공급하는 전원공급장치에 대한 것이다.The present invention relates to a power supply for a polysilicon manufacturing apparatus, and more particularly to a power supply for supplying power to a manufacturing apparatus for manufacturing polysilicon used for solar cells using the Siemens method.
최근 디지털시대의 반도체 수요를 비롯해 기후변화의 위기에 대비한 청정에너지로 태양전지 수요가 급증하고 이 태양전지를 만드는데 꼭 필요한 폴리실리콘에 대한 수요가 급증하고 있다.Recently, demand for semiconductors in the digital era and clean energy in preparation for the crisis of climate change have soared the demand for solar cells, and the demand for polysilicon necessary for making these solar cells has soared.
이러한 폴리실리콘을 만드는 제조방법은 크게 지멘스 공법, FBR(Fluidised Bed Reactor), 금속정련 공법 등으로 나뉜다.The manufacturing method of making such polysilicon is largely divided into Siemens method, FBR (Fluidised Bed Reactor), metal refining method and the like.
지멘스 공법은 1950년대 지멘스에 의해 개발돼 지금까지 세계적으로 가장 널리 사용되고 있으며 금속실리콘을 염소와 반응시켜 기체상태의 염화실란으로 만들거나 25도에서 증류시켜 삼염화실란 기체로 만들고 실리콘 로드와 염화실란 또는 삼염화실란을 반응시켜 폴리실리콘을 제조한다. 지멘스 공법은 폴리실리콘의 증착을 위해 실리콘 로드를 1100도 정도로 유지하여야 하고 이를 위해 실리콘 로드에 강한 전기를 가해야 하기 때문에 전기 사용량이 많은 것이 특징이다.The Siemens process was developed by Siemens in the 1950s and is the most widely used in the world so far. The metal silicon is reacted with chlorine to form gaseous chloride silane or distilled at 25 degrees to form trichlorosilane gas. The silanes are reacted to produce polysilicon. The Siemens method is characterized by a high amount of electricity because the silicon rod must be maintained at about 1100 degrees for the deposition of polysilicon, and a strong electric force must be applied to the silicon rod for this purpose.
FBR 공법은 스소가스가 흐르는 도가니에 실리콘 시드(seed)를 투입하고 염화실란이나 삼염화실란 등 실란가스를 주입하면 실리콘 시드가 낙하하면서 주변에 지름 1cm 가량의 동그란 구형 실리콘이 석출되는 방식으로 지멘스 공법보다 실리콘 석출속도가 빠르지만 품질이 떨어지는 단점이 있다.In the FBR method, silicon seed is injected into the crucible through which sso gas flows, and silane gas such as chloride silane or trichlorosilane is dropped, and the silicon seed falls, and round spherical silicon having a diameter of about 1 cm is deposited. Silicon precipitation rate is fast but quality is disadvantageous.
금속정련 공법은 순도 99%의 금속 실리콘을 정제용 도가니에 넣고 아르곤 가스나 수증기 등을 주입하고 가열해 불순물을 산화시키고 상부에 떠오른 찌꺼기를 제거해 고순도의 폴리실리콘을 얻는 방식으로 설비가 상대적으로 간단하고 유지비가 적게 들지만 불순물의 함유량이 상대적으로 높은 단점이 있다.The metal refining method is a relatively simple equipment that obtains high purity polysilicon by injecting 99% pure metal silicon into a refining crucible, injecting argon gas or water vapor, and heating it to oxidize impurities and remove residues on top. The maintenance cost is low, but the impurity content is relatively high.
폴리실리콘의 제조공법으로 가장 널리 쓰이는 지멘스 공법의 경우 실리콘 로드의 표면을 1100도로 유지하여야 하기 때문에 전기 사용량이 많고 실리콘의 석출정도에 따라 실리콘 로드에 공급되는 전류의 크기를 제어하여야 한다.In the Siemens method, which is the most widely used polysilicon manufacturing method, the surface of the silicon rod must be maintained at 1100 degrees. Therefore, the amount of electricity is used and the magnitude of the current supplied to the silicon rod must be controlled according to the degree of precipitation of the silicon.
종래 지멘스 공법을 이용한 폴리실리콘 제조장치에 전원을 공급하는 전원공급장치의 경우 전류의 크기를 조절하기 위해 다이리스터(SCR) 등의 스위치를 이용함에 따라 역률이 현저히 낮아 전력요금이 과도한 문제가 있고, 낮은 역률로 전원장치에 사용되는 변압기의 용량이 증대되고 로드에 공급되는 직류전류의 제어가 어렵고 전류 맥동이 커지는 문제점이 있었다.In the case of a power supply device for supplying power to a polysilicon manufacturing apparatus using the conventional Siemens method, the power factor is excessively low due to the low power factor due to the use of a switch such as a dyster (SCR) to adjust the magnitude of the current, The power factor of the transformer used in the power supply is increased at low power factor, and it is difficult to control the DC current supplied to the load and the current pulsation is large.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치의 제조원가를 낮추고, 고역률로 전력을 공급하여 전기료를 절감하며, 맥동이 적은 고품질의 직류전원을 폴리실리콘 제조장치에 공급함에 따라 폴리실리콘의 품질을 향상시키며, 공급되는 전류의 크기 제어가 용이한 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치를 제공함에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to reduce the manufacturing cost of the power supply for the polysilicon manufacturing apparatus, supply power at a high power factor to reduce the electricity bill, high-quality DC power supply with low pulsation By supplying the polysilicon manufacturing apparatus to improve the quality of the polysilicon, and to provide a power supply for the polysilicon manufacturing apparatus that can easily control the magnitude of the current supplied.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치는 실리콘 증착용 로드들을 포함하는 폴리실리콘 제조장치에 있어서, 상기 로드에 전원을 인가하는 전원부와, 상기 전원부에서 인가되는 전원을 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 정류부와, 상기 정류부에서 정류된 전원을 상기 로드에 공급하되, 정류된 전원의 전기적 접속방식을 변환하는 제1스위치부와, 상기 제1스위치부로부터 공급되는 전원을 상기 로드들로 인가하고 상기 로드들의 전기적 접속방식을 변환하고 출력전류를 제어하는 제2스위치부와, 상기 로드들에 전원을 공급하는 상기 제1스위치부 및 제2스위치부를 포함하여 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치를 제어하는 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, a polysilicon manufacturing apparatus power supply apparatus of the present invention is a polysilicon manufacturing apparatus including rods for silicon deposition, comprising: a power supply unit for applying power to the rod and a power source applied from the power supply unit; A rectifying unit including a plurality of diodes for rectifying the power supply, a first switch unit for supplying power rectified by the rectifying unit to the rod, and converting an electrical connection method of the rectified power source; and a power supply supplied from the first switch unit Manufacturing a polysilicon including a second switch unit for applying the power to the rods, converting the electrical connection of the rods, and controlling an output current, and the first switch unit and the second switch unit for supplying power to the rods. And a control unit for controlling the power supply for the device.
또한, 상기 제2스위치부는 복수의 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자롤 포함하여 이루어지고, 상기 복수의 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위 치 소자를 이용하여 상기 로드들로 인가되는 전류의 크기를 조절한다.The second switch unit may include a plurality of forced current type power semiconductor switch elements, and the plurality of loads may be formed by using the plurality of forced current type power semiconductor switch elements. Adjust the amount of current applied.
또한, 상기 제2스위치부는 상기 정류부에서 정류된 전원을 평활하게 하는 복수의 입력커패시터, 출력 전압의 맥동을 줄여 주는 복수의 출력 커패시터 및 출력전류를 평활화 하는 인덕터를 더 포함한다.The second switch unit may further include a plurality of input capacitors for smoothing the power rectified by the rectifier, a plurality of output capacitors for reducing the pulsation of the output voltage, and an inductor for smoothing the output current.
또한, 상기 복수의 커패시터 및 인덕터의 총 커패시턴스 및 인덕턴스는 상기 로드들의 전기적 접속방식에 연동되어 변경되는 것을 특징으로 한다.In addition, the total capacitance and inductance of the plurality of capacitors and inductors may be changed in conjunction with the electrical connection of the loads.
또한, 상기 제2스위치부는 상기 로드에 인가되는 전류의 프리휠링을 위한 복수의 다이오드를 더 포함하고, 상기 로드들의 전기적 접속방식에 연동되어 상기 다이오드들의 전기적 접속방식도 변경되는 것을 특징으로 한다.In addition, the second switch unit further comprises a plurality of diodes for freewheeling of the current applied to the rod, characterized in that the electrical connection of the diodes in conjunction with the electrical connection of the rods is also changed.
또한, 상기 전원부는 입력 전류가 12펄스 형태로 구성된 3상 Y결선형 교류전원과 3상 델타결선형 교류전원을 공급하고, 상기 3상 Y결선형 교류전원과 3상 델타결선형 교류전원을 상보적으로 연결하는 상간변압기(Interphase Transformer)를 더 포함한다.In addition, the power supply unit supplies a three-phase Y-connected AC power and a three-phase delta-connected AC power having an input current of 12 pulses, and complement the three-phase Y-connected AC power and the three-phase delta-connected AC power. It further comprises an interphase transformer for connecting electrically.
또한, 상기 전원부와 정류부 사이에 마련되고, 상기 정류된 전원과 로드들의 전기적 접속방식의 변경 시 상기 정류부로 공급되는 전원을 차단하는 제3스위치부를 더 포함한다.The apparatus may further include a third switch unit disposed between the power supply unit and the rectifier unit to block power supplied to the rectifier unit when the rectified power source and the rod are changed in electrical connection.
또한, 상기 제어부는 출력 전류의 제어를 위해 상기 제 2 스위치부의 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트에 PWM 신호를 인가하되, 각 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자의 게이트에 인가되는 PWM 신호의 위상을 Ts(스위칭 주기)/N(강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자의 수)만큼 지연 인가한다.In addition, the control unit applies a PWM signal to the gates of the forced current-type power semiconductor switch elements of the second switch unit for the control of the output current, each of the forced current-type power semiconductor switch elements The phase of the PWM signal applied to the gate of is delayed by Ts (switching period) / N (the number of forced current type semiconductor switch elements).
또한, 상기 제어부는 상기 제 2 스위치부의 의 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들의 전기적 접속방식이 병렬접속인 경우 상기 PWM신호를 위상 지연 없이 인가한다.Further, the control unit applies the PWM signal without phase delay when the electrical connection method of the forced current type semiconductor switch elements of the second switch unit is a parallel connection.
또한, 상기 전원부와 정류부 사이에 마련되고, 상기 정류된 전원과 로드들의 전기적 접속방식의 변경 시 상기 정류부로 공급되는 전원을 차단하는 제3스위치부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제 1 스위치부 및 제 2 스위치부의 전기적 접속방식의 변경 시, 상기 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트 신호를 차단한 후 제 1 스위치부 및 제 2 스위치부에 포함된 스위치들을 off 시키고, 상기 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트 신호를 상기 커패시터의 방전을 위해 일정 시간만큼 인가한 후 전기적 접속방식의 변경을 위해 상기 제 1스위치부 및 제 2스위치부를 제어하고, 상기 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트 신호를 다시 인가한다.The apparatus may further include a third switch unit provided between the power supply unit and the rectifier unit to cut off the power supplied to the rectifier unit when the rectified power source and the rod are changed in electrical connection. The control unit may include the first switch unit and When the electrical connection method of the second switch unit is changed, the gate signals of the forced current type semiconductor switch elements are interrupted, and then the switches included in the first switch unit and the second switch unit are turned off, and the forced The gate signal of the current type power semiconductor switch elements is applied for a predetermined time to discharge the capacitor, and then the first switch unit and the second switch unit are controlled to change an electrical connection method, and the forced current The gate signals of the semiconductor power switch elements are applied again.
또한, 상기 3상 Y결선형 교류전원과 3상 델타결선형 교류전원에서 공급되는 각 상의 전류를 측정하는 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 측정부에서 측정된 각 상의 전류합이 소정치 이상인 경우 상기 제 1 스위치부 및 제 2 스위치부를 제어하여 상기 로드들로 흐르는 전류를 차단한다.The apparatus may further include a measuring unit configured to measure a current of each phase supplied from the three-phase Y-connected AC power and the three-phase delta-connected AC power. In this case, the first switch unit and the second switch unit are controlled to cut off current flowing to the rods.
또한, 실리콘 증착용 로드들을 포함하는 폴리실리콘 제조장치에 있어서, 상기 로드에 전원을 인가하는 전원부와, 상기 전원부에서 인가되는 전원을 정류하는 적어도 2 이상의 다이오드를 포함하는 정류부와, 상기 정류부에서 정류된 전원을 상기 로드에 공급하되, 정류된 전원의 전기적 접속방식을 변환하는 제1스위치부와, 상기 제1스위치부로부터 공급되는 전원을 상기 로드들로 인가하고 상기 로드들의 전기적 접속방식을 변환하되, 각 로드들로 인가되는 출력전류를 제어하는 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자, 상기 전력용 반도체 스위치 소자의 에미터단에 연결되는 다이오드 및 평활회로, 상기 다이오드, 평활회로 및 상기 로드들의 전기적 접속방식을 변경하는 직병렬 스위치부를 포함하는 적어도 2 이상의 스위칭 모듈을 포함하는 제2스위치부와, 상기 로드들에 전원을 공급하는 상기 제1스위치부 및 제2스위치부를 포함하여 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치를 제어하는 제어부를 포함한다.In addition, a polysilicon manufacturing apparatus comprising rods for silicon deposition, comprising: a rectifying unit including a power supply unit for applying power to the rod, at least two diodes for rectifying power applied from the power supply unit, and rectified by the rectifying unit. Supplying power to the rod, the first switch unit for converting the electrical connection method of the rectified power, and the power supplied from the first switch unit to the rods and converts the electrical connection method of the rods, Forced current-type power semiconductor switch element for controlling the output current applied to each of the rods, diode and smoothing circuit connected to the emitter end of the power semiconductor switch element, the diode, smoothing circuit and the At least two switching modules including a serial-to-parallel switching unit for changing the electrical connection method Including second switch unit, wherein the first switch and the second switch unit for supplying power to said load and a controller for controlling the power supply for polysilicon production apparatus.
또한, 상기 직병렬 스위치부는 상기 다이오드, 평활회로의 전기적 접속방식을 변경하는 제1직병렬 스위치와 상기 로드들의 전기적 접속방식을 변경하는 제2직병렬 스위치를 포함하여 이루어지되, 상기 제1직병렬 스위치는 동시 동작하는 2개의 스위치를 포함하며, 각각 상기 평활회로에 포함된 인덕터의 양단에 연결되고, 상기 제2직병렬 스위치는 상반 동작하는 2개의 스위치를 포함하고, 각각 상기 로드와 평활회로 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.In addition, the serial-to-parallel switch unit includes a first series-parallel switch for changing the electrical connection of the diode and the smoothing circuit, and a second series-parallel switch for changing the electrical connection of the rods. The switch includes two switches operating simultaneously, each connected to both ends of an inductor included in the smoothing circuit, and the second series-parallel switch includes two switches operating in opposition, respectively, between the rod and the smoothing circuit. It is characterized in that connected to.
또한, 상기 제2직병렬 스위치의 상반 동작하는 2개의 스위치는 상기 로드들의 전기적 접속방식을 직렬 접속방식으로 연결하는 직렬 접속스위치와 개별 접속방식으로 연결하는 개별 접속스위치이며, on/off 상태가 상반되는 것을 특징으로 한다.In addition, the two switches operating in the opposite direction of the second series-parallel switch are a series connection switch for connecting the electrical connection method of the rods in a series connection method and a separate connection switch for connecting in an individual connection method, the on / off state is inverted It is characterized by.
또한, 상기 개별 접속스위치는 상기 평활회로에 포함된 커패시터의 양단에 각각 하나씩 연결되어 동시 동작하되, 상기 제2스위치부의 양 끝단에 위치하는 스위치 모듈의 개별 접속스위치는 상기 커패시터의 일단에 연결된 하나의 스위치만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the individual connection switch is connected to each one of both ends of the capacitor included in the smoothing circuit to operate simultaneously, the individual connection switch of the switch module located at both ends of the second switch unit is connected to one end of the capacitor It is characterized by consisting of a switch only.
이상과 같은 구성의 본 발명은 기존의 SCR 소자를 이용한 구성방식에 비해 회로구성이 간단하고 고역률로 운전됨에 따라 입력 변압기의 용량을 줄일 수 있어 전원장치의 제조원가를 현저히 절감할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention having the above-described configuration, the circuit configuration is simpler than the conventional method using the SCR element, and the capacity of the input transformer can be reduced by operating at a high power factor, thereby reducing the manufacturing cost of the power supply device. .
또한, 고역률로 전원을 공급함에 따라 전력요금을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect that can significantly reduce the power bill by supplying power at a high power factor.
또한, 출력전류가 독립적으로 제어되어 순환전류 등의 문제가 없어 제어가 용이해 지는 효과가 있다.In addition, since the output current is independently controlled, there is no problem such as a circulating current, thereby making it easy to control.
또한, 고품질의 직류전원을 로드에 공급함에 따라 제조되는 폴리실리콘의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect that can improve the quality of the polysilicon produced by supplying a high-quality DC power supply to the rod.
또한, 로드에 공급되는 전류의 크기 조절을 용이하게 할 수 있고 출력 전류의 맥동을 줄여 폴리실리콘의 품질을 향상 시키는 효과가 있다.In addition, it is possible to easily adjust the magnitude of the current supplied to the load and to reduce the pulsation of the output current has the effect of improving the quality of polysilicon.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a power supply device for a polysilicon manufacturing apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치의 개략적인 블록도이고, 도 2는 본 발명에 일실시예에 따른 전원공급장치의 개략적인 회로도이다.1 is a schematic block diagram of a power supply for a polysilicon manufacturing apparatus of the present invention, Figure 2 is a schematic circuit diagram of a power supply according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치는 실리콘 증착용 로드(10)를 포함하는 폴리실리콘 제조장치(1)에 전원을 공급하는 전원부(100)와 공급되는 전원을 정류하는 정류부(200)와 전원부(100)와 정류부(200) 사이에 마련되어 전원 및 로드들의 전기적 접속방식의 변경 시 정류부(200)로 인가되는 전원을 차단하는 제3스위치부(500)와 정류부(200)에서 정류된 전원을 인가받아 로드들(10)에 공급하되 정류된 전원의 전기적 접속방식을 변경하는 제1스위치부(300)와 제1스위치부(300)에서 공급된 전원을 로드들(10)로 인가하고 로드들(10)의 전기적 접속방식을 변경하는 제2스위치부(400)와 로드들(10)에 형성되는 저항의 크기에 기초하여 제1스위치부(300) 및 제2스위치부(400)를 포함하여 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치를 제어하는 제어부(600)를 포함하여 이루어진다.The power supply device for a polysilicon manufacturing apparatus according to the present invention is a
도 1에 도시된 폴리실리콘 제조장치(1)는 지멘스 공법을 이용한 제조장치로서 실리콘 증착용 로드(10)에 전원을 공급하여 로드(10)의 온도를 1100도 정도로 유지하고 실란가스를 주입하여 실리콘을 석출하는 장치이다.The
지멘스 공법을 이용한 폴리실리콘 제조장치(1)는 통상 10개 미만의 로드(이를 존이라고 하기도 한다.)를 묶어서 전원을 인가하고 수십에서 수백개의 로드를 포함하여 이루어진다. 로드들(10)은 실리콘의 석출이 이루어짐에 따라 저항이 변하게 되고 고품질의 폴리실리콘을 제조하기 위해서는 실리콘의 석출정도에 따라 전류를 적절히 조절 인가하여야 한다.The
도 9는 실리콘의 석출이 진행됨에 따라 요구되는 전압, 전류의 그래프의 예인데 도 9의 그래프의 x축은 석출공정이 진행된 시간을 나타내고, y축은 전압 및 전류의 크기를 나타내고, 실선은 전류, 파선은 전압을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면 시간의 진행정도에 따라 거의 0부터 1800A가 넘는 전류가 필요하고 전압 또한, 약 1300V에서 200V까지 변동됨을 알 수 있다. 이렇게 지멘스 공법을 이용한 폴리실리콘 제조장치(1)는 인가되는 전류(전압)의 변동폭이 매우 크고 실리콘의 품질을 향상시키기 위해서는 정확한 전류(전압)의 인가가 필수적인 만큼 복수의 소자를 필요한 전류(전압)의 크기에 따라 적절하게 구성하는 것이 필요하다. 본 발명은 이러한 폴리실리콘 제조장치(1)에 적절한 전류를 인가하기 위해 안출된 것으로 본 발명은 전기적 접속방식을 효율적으로 변경하여 시간에 따라 필요한 전류를 폴리실리콘 제조장치(1)에 적절히 공급한다. 9 is an example of a graph of voltage and current required as the deposition of silicon proceeds. In the graph of FIG. 9, the x-axis represents the time of the precipitation process, the y-axis represents the magnitude of the voltage and current, and the solid line represents the current and the broken line. Is a graph showing the voltage. Referring to FIG. 9, it can be seen that a current of more than 0 to 1800A is required according to the progress of time, and the voltage also varies from about 1300V to 200V. As described above, the
정류부(200)는 전원부(100)에서 인가되는 전원을 정류하는 복수의 다이오드를 포함한다. 도 2를 참조하면 일 실시예로서 전원부(100)는 전력의 효율적인 사용을 위해 3상 델타결선형 교류전원과 3상 Y결선형 교류전원을 공급하고 정류부(200)는 각 교류전원을 정류하는 모듈타입으로 마련될 수 있다. 위와 같이 델타결선형 교류전원과 Y결선형 교류전원은 각각 정류부(200)에서 정류된 후 직접 공급되거나 상간변압부(700)를 통해 상보적으로 결합될 수 있다. 이러한 상보적 결합을 통해 하나의 방식으로 전달될 때에 비해 균일하고 안정적인 전원의 공급이 가능하게 된다. The
도 2에서는 전원부(100)에서 공급되는 전원의 개수가 Y결선형과 델타결선형 이 각각 1개씩 총 2개로 도시되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니며 폴리실리콘 제조장치의 크기에 따라 2개 이상의 전원을 포함할 수 있음은 물론이다.In FIG. 2, the number of power supplied from the
제1스위치부(300)는 위 정류부(200)에서 정류된 전원을 로드들(10)로 공급하되, 정류된 전원의 전기적 접속방식을 변환한다. 지멘스 공법의 경우 로드에 전원을 공급하여 로드의 온도를 일정하게 유지하고 이를 통해 실리콘을 석출하는 방식이고, 실리콘의 석출 정도에 따라 실리콘 로드의 저항치가 달라지게 되어 고품질의 폴리실리콘을 제조하기 위해서는 석출정도에 따라 전류의 크기를 조절하는 것이 필요하다. 하지만 실리콘의 석출정도에 따라 로드의 저항치가 수백 Ω에서 수 mΩ까지 변하고 전원부(100)의 용량에는 한계가 있으므로 로드에 적절한 전류를 공급할 수 있도록 제어하는 것이 지멘스 공법에서는 중요하다.The
제1스위치부(300)는 공급할 수 있는 전원의 용량한계 및 로드에 형성되는 저항의 크기에 기초하여 정류부(200)에서 정류된 전원의 전기적 접속방식을 변경한다. 즉, 로드에 형성되는 저항의 크기가 큰 경우 높은 전압이 필요하므로 정류된 전원을 직렬로 배열되도록 하여 각 로드에 걸리는 전압의 크기가 크도록 전원을 인가하고, 로드에 형성되는 저항의 크기가 작은 경우에는 낮은 전압 및 높은 전류가 필요하므로 정류된 전원을 병렬로 배열되도록 정류된 전원의 전기적 접속방식을 변경한다. 물론 도 2에 도시된 일 실시예와는 달리 전원의 개수가 많거나 각 전원의 용량이 작을 경우에는 각 전원이 개별적으로 각 존(수개 정도의 로드 그룹)에 공급되도록 하거나 정류된 전원을 직병렬로 변경하여 적절한 전류(전압)가 각 로드에 걸리도록 전원을 전기적 접속방식을 변경할 수 있음은 물론이다.The
제2스위치부(400)는 제1스위치부(300)로부터 공급되는 전원을 로드들(10)로 인가하고, 로드들(10)의 전기적 접속방식을 변환한다. 제2스위치부(400)는 복수의 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자를 포함하여 이루어지고 이를 이용하여 로드들(10)에 인가되는 전류의 크기를 조절한다.The
종래 전원공급장치의 경우 다이리스터(SCR) 등의 스위치를 이용함에 따라 정류와 전류의 크기조절을 동시에 할 수 있는 이점은 있었으나 다이리스터(SCR)의 특성 상 역률이 매우 나쁘고, 그에 따라 사용되는 변압기의 용량이 필요이상으로 커지고 공급되는 전원의 품질이 떨어지는 문제점이 있었다. 즉, 다이리스터의 경우 게이트 트리거의 시점제어를 통해 인가되는 전류의 크기를 제어하므로 전압과 전류의 위상이 일정하지 않아 인가되는 전원의 역률이 나빠지게 된다.In the case of the conventional power supply device, the use of a switch such as a die thruster (SCR) has the advantage of simultaneously controlling the rectification and the magnitude of the current, but due to the characteristics of the die thruster (SCR), the power factor is very bad, and the transformer used accordingly There was a problem that the capacity of the larger than necessary and the quality of the power supply is falling. That is, in the case of the thyristors, since the magnitude of the applied current is controlled through the timing control of the gate trigger, the power factor of the applied power becomes worse because the phase of the voltage and the current is not constant.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 전원공급장치는 정류부(100)를 이용하여 교류전원을 정류하고 정류된 전원을 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자를 이용하여 크기를 조절하여 로드들(10)로 인가함에 따라 로드들(10)에 인가되는 전류의 크기 제어가 용이하고, 인가되는 전원에서 전류와 전압의 위상이 기본적으로 일치하므로 고역률로 전원을 인가할 수 있다. 또한 제2스위치부(400)에는 정류된 전원을 더욱 평활하게 하기 위해 복수의 커패시터 및 인덕터를 포함하며 로드들의 전기적 접속방식에 따라 총 커패시턴스 및 인덕턴스가 변경된다.In order to solve this problem, the power supply device of the present invention rectifies AC power using the
즉, 정류된 전원을 평활하게 하기 위한 평활회로의 경우 반드시 제2스위치부(400)에 포함될 필요는 없지만 평활회로에 포함된 커패시터 및 인덕터의 용량은 로드의 전기적 접속방식에 따라 변하는 것이 효율적이므로 제2 스위치부(400)의 접속방식 변경과 연동되도록 구성하는 것이 바람직하고 이렇게 하는 것이 회로의 구성이 간단해진다. 즉 제어부(600)는 로드들로 공급되는 전류가 클 경우 흐르는 전류를 직류에 가깝게 평활화 하기 위해서는 커패시턴스가 커야하므로 제2스위치부(400)에 포함된 커패시터는 병렬연결 되도록 제어하고 전류용량을 고려하여 인덕터도 병렬연결 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 로드들로 공급되는 전류가 작을 경우 평활화를 위해 인덕턴스가 커야 하므로 제2스위치부(400)에 포함된 인덕터가 각 존에 개별 연결 되도록 제어한다.That is, the smoothing circuit for smoothing the rectified power supply does not necessarily need to be included in the
또한, 제2스위치부(400)는 커패시터에 충전된 에너지의 프리휠링을 위해 복수의 다이오드를 더 포함하며, 로드들로 공급되는 전류가 클수록 프리휠링되는 전류가 크므로 다이오드들이 병렬로 연결되도록 제어되고, 프리휠링되는 전류가 작은 경우 각 존(부하)가 독립적으로 제어되기 위하여 각 다이오드들이 각 커패시터와 인덕터가 개별적으로 연결되도록 제어된다. 이러한 다이오드의 제어는 제2스위치부(400)의 전기적 접속방식의 변경과 연동되어 일어나며 연동 제어를 위해 다이오드들이 제2스위치부(400)에 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the
제3스위치부(500)는 전원과 정류부(200) 사이에 마련되어 제1스위치부(300) 및 제2스위치부(400)에서 전기적 접속방식의 변경이 있을 경우 정류부(200)로 인가되는 전원을 차단하는 기능을 수행한다. 또한 제3스위치부(500)는 커패시터로의 돌입전류를 제한하기 위해 저항과 스위치를 포함하는 회로부를 더 포함할 수 있다.The
제3스위치부(500)는 전기적 접속방식의 변경이 있는 경우 정류부(200)로 인가되는 전원을 차단하는데 차단 시 제3스위치부(500)의 부담을 줄이기 위해서 제어 부(600)는 제1스위치부(300) 및 제2스위치부(400)에서 전기적 접속방식의 변경 시 제2스위치부(400)에 포함된 전력용 반도체 스위치 소자의 게이트 신호를 차단하여 출력 전류를 흐르지 않도록 한 후에 제1스위치부(300) 및 제2스위치부(400)에 포함된 스위치를 off한다.The
이후 정류된 전류를 평활하게 하는 입력커패시터에 충전된 에너지를 방전하기 위하여 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트 신호를 재개하여 입력커패시터 전압을 방전한 후 다시 게이트 신호를 차단하고 제1스위치부(300) 및 제2스위치부(400)의 스위치를 제어하여 전기적 접속방식을 변경한다.Thereafter, in order to discharge the energy charged in the input capacitor to smooth the rectified current, the gate signal of the power semiconductor switch elements is restarted to discharge the input capacitor voltage, and then the gate signal is again cut off, and the
그 다음 제3스위치부(500)에 돌입전류 제한회로가 있는 경우 돌입전류 제한회로에 포함된 커패시터의 전압을 일정수준으로 재충전한 후에 돌입전류 제한 회로를 차단하고 제3스위치부(500)의 스위치를 on한 다음 제2스위치부(400)의 전력용 반도체 스위치소자의 게이트 신호를 다시 인가하다.If there is an inrush current limiting circuit in the
이러한 제어를 통해 제3스위치부(500)에 포함된 접속스위치를 저용량으로 구성할 수 있어 제조원가가 절감되는 효과가 있다.Through such control, the connection switch included in the
또한, 제어부(600)는 측정부(800)를 통해 입력 델타 및 와이 변압기를 흐르는 각 상의 전류를 측정하고 측정된 세 상의 전류의 합을 계산하여 일정치 이상인 경우 실리콘 로드의 절단 및 무너짐에 의한 지락으로 판단하여 제1스위치부(300) 및 제2스위치부(400)의 회로를 차단하도록 제어한다.In addition, the
제어부(600)는 폴리실리콘 제조장치용 전원장치를 전반적으로 제어한다. 로드들(10)에 적절한 전류를 공급하기 위해 제1스위치부(300), 제2스위치부(400) 및 제3스위치부의 전기적 접속방식을 변경하고 전원장치에 부속된 제반장치를 제어한다. 특히 제어부(600)는 로드들(10)에 적절한 전류를 인가하기 위해 PWM신호를 이용하여 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트 신호를 제어하는데 PWM신호에 의한 제어에 의해 발생할 수 있는 입력전류의 맥동을 저감할 수 있도록 각 전력용 반도체 스위치 소자들의 게이트 신호를 Ts(스위칭 주기)/N(강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자의 수)만큼 위상 지연 운전한다.The
도 7은 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들에 인가되는 PWM신호의 타이밍차트이고 도 8a, 8b는 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들이 각 존에 개별 연결되었을 경우 위상지연 운전 유무에 따른 입력전류의 파형을 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a timing chart of a PWM signal applied to forced current type power semiconductor switch elements, and FIGS. 8A and 8B are cases in which forced current type power semiconductor switch elements are individually connected to respective zones. This is a graph showing the waveform of the input current with or without phase delay operation.
도 8a의 그래프는 위상지연 운전이 없는 경우의 전류파형을 나타내는 그래프의 예로서 전류의 맥동이 0A~1100A까지 변동되어 변동폭이 매우 큼을 알 수 있다. 도 8b의 그래프는 본 발명에 따른 위상지연 운전을 하는 경우로서 전류의 맥동이 50A~400A까지 변동됨을 알 수 있고 위상지연 운전이 없는 경우에 비해 변동폭이 현저히 작아지고 높은 주파수의 맥동을 가짐을 알 수 있다. 이러한 위상지연 운전을 통해 입력단의 고조파 저감을 위한 필터 설계시 비용 및 용량을 작게 할 수 있다.The graph of FIG. 8A is an example of a graph showing a current waveform when there is no phase delay operation, and it can be seen that the pulsation of the current fluctuates from 0A to 1100A so that the fluctuation range is very large. The graph of FIG. 8B shows that the pulsation of the current varies as much as 50A to 400A as the phase delay operation according to the present invention. Can be. This phase delay operation can reduce the cost and capacity when designing a filter for reducing harmonics at the input stage.
도 3a~6a, 3b~6b는 3개의 존으로 구성되는 제조장치에 대한 실시예인 도 2의전원공급장치의 제1 내지 제4동작상태를 나타내는 회로도 및 등가회로도이다.3A to 6A and 3B to 6B are circuit diagrams and equivalent circuit diagrams showing first to fourth operating states of the power supply device of FIG. 2, which is an embodiment of a manufacturing apparatus composed of three zones.
도 3a를 참조하면 제1스위치부(300)에 포함된 MC3 스위치가 ON되고 MC4, MC5가 OFF되어 정류부(200)에서 정류된 전원의 전기적 접속방식이 직렬로 변경되고, 제2스위치부(400)에 포함된 MC7, MC8, MC12, MC13이 OFF, MC9, MC9/10, MC10/11, MC11이 ON으로 제어되어 로드들이 병렬(각 존에는 개별적으로)로 연결된 경우이다. 도 3b에 도시된 도 3a의 등가회로를 참조하면 로드에 형성되는 저항의 크기가 커 로드의 전기적 접속방식을 병렬로, 정류된 전원의 전기적 접속방식을 직렬로 하여 각 로드에 흐르는 전류의 크기가 충분하도록 제어된다.Referring to FIG. 3A, the MC3 switch included in the
도 4a를 참조하면 도 3a에 비해 제1스위치부(400)에 포함된 MC4, MC5가 ON되고, MC3가 OFF로 되어 정류된 전원의 전기적 접속방식이 병렬로 변경되고, 제2스위치부(400)의 상태는 동일하여 로드의 저항의 크기가 도 3a에 비해 작아진 경우이다.Referring to FIG. 4A, compared to FIG. 3A, MC4 and MC5 included in the
도 5a는 로드의 저항의 크기가 낮아져 로드들(10)의 전기적 접속방식을 직렬로 하고 정류된 전원의 경우 도 3a와 같이 직렬로 연결한 경우로서 저항의 크기가 도 4a보다 작아진 경우에 적절한 전류를 공급하기 위한 동작상태이다.FIG. 5A shows a case in which the resistance of the load is lowered, so that the electrical connection of the
도 6a의 경우 도 5a보다 저항의 크기가 작은 경우로서 로드들(10)의 전기적 접속방식을 직렬로, 정류된 전원의 전기적 접속방식도 병렬로 연결한 경우이다.In the case of FIG. 6A, the resistance is smaller than that of FIG. 5A, and the electrical connection of the
도 3a~6a, 3b~6b의 경우 폴리실리콘 제조장치의 존이 3개로 구성된 경우를 예시로 설명한 것으로서 폴리실리콘 제조장치의 크기에 따라 전원을 공급할 존은 2개 이상의 어떤 접속방식으로도 구성될 수 있고, 그에 따라 제2스위치부(400)의 회로 구성도 각 존에 적절한 전류를 공급하도록 도 3a~6a, 3b~6b의 예시와는 달리 구성될 수 있다.3A to 6A and 3B to 6B illustrate an example in which three zones of a polysilicon manufacturing device are configured as an example, and a zone to supply power according to the size of the polysilicon manufacturing device may be configured by any two or more connection methods. Accordingly, the circuit configuration of the
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 개략적인 회로도이고, 도 11은 n개의 스위치 모듈이 연결된 회로도이고, 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 동작모드를 나타내는 등가회로도이다.10 is a schematic circuit diagram according to a second embodiment of the present invention, FIG. 11 is a circuit diagram connected with n switch modules, and FIG. 12 is an equivalent circuit diagram showing an operation mode according to the second embodiment of the present invention.
도 10에 도시된 본 발명의 제2실시예는 제1실시예와 유사하게 전원부(100), 정류부(200), 제1스위치부(300), 제어부(600)를 포함하고, 제1스위치부(300)로부터 공급되는 전원을 로드들(10)로 인가하고 로드들(10)의 전기적 접속방식을 변환하되, 각 로드들로 인가되는 출력전류를 제어하는 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자(IGBTn,), 전력용 반도체 스위치 소자(IGBTn,)의 에미터단에 연결되는 다이오드(Dioden,) 및 평활회로(420), 상기 다이오드, 평활회로 및 상기 로드들의 전기적 접속방식을 변경하는 직병렬 스위치부(470)를 포함하는 복수의 스위칭 모듈(410)을 포함하는 제2스위치부를 포함하여 이루어진다.The second embodiment of the present invention illustrated in FIG. 10 includes a
스위칭 모듈(410)은 폴리실리콘 제조장치(1)의 크기에 따라 인가되는 전류의 크기도 변동되는바 전원장치의 확장성을 강화하기 위해 마련된 구성이다.The
스위칭 모듈(410)에 포함된 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자(IGBTn,)는 제1실시예와 동일하게 제어부(600)의 제어에 의해 로드들(10)로 흐르는 전류를 제어한다.The forced current type semiconductor switch element IGBTn included in the
평활회로(420)도 제1실시예와 마찬가지로 정류부로부터 인가되는 전류를 DC와 가깝게 평활화 하고, 전압의 맥동을 줄이는 역할을 수행하며, 커패시터(Cn,)와 인덕터(Ln,)를 포함하여 이루어진다.Similar to the first embodiment, the smoothing
직병렬 스위치부(470)는 다이오드(Dioden,) 및 평활회로(420)의 전기적 접속방식을 변경하는 제1직병렬 스위치(430)와 로드들(10)의 전기적 접속방식을 변경하 는 제2직병렬 스위치(440)를 포함하여 이루어진다.The serial / parallel switch unit 470 changes the electrical connection between the first
제1직병렬 스위치(430)는 폴리실리콘 제조장치(1)에 필요한 전류의 크기가 달라짐에 따라 전류를 평활하게 하는데 필요한 커패시턴스 및 인덕턴스가 변하고, 프리휠링되는 전류의 크기가 달라지는 만큼 흐르는 전류의 크기에 대응하여 제2스위치부(400)에 포함된 스위칭 모듈(410)의 커패시터, 인덕터, 다이오드의 접속방식을 변경한다. 도 12를 참조하면 STEP #1, 2와 같이 로드들에 개별적으로 접속되기도 하고, STEP #3, 4와 같이 병렬로 접속되기도 하고, STEP #5, 6과 같이 직병렬로 접속되기도 한다. 위와 같이 필요한 전류의 크기에 따라 적절한 용량을 확보하기 위해 제1직병렬 스위치(430)는 평활회로(420)의 인덕터(Ln,) 양단(A, B)에 연결되어 동시에 동작하는 2개의 스위치(431, 433)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이런 구성을 통해 스위칭 모듈의 확장을 용이하게 하고 효율적으로 커패시턴스 등 용량을 인가되는 전류에 맞도록 변경할 수 있다.The first serial
제2직병렬 스위치(440)는 상반 동작하는 2개의 스위치(445, 448)를 포함하여 이루어지며, 로드들(10)의 전기적 접속방식을 변경한다. 예를 들어 로드들의 저항이 작을 경우 흐르는 전류가 많은 반면 저항은 작으므로 로드들(10)을 직렬로 변경하고, 저항이 클 경우 흐르는 전류가 작으므로 스위칭 모듈(410)과 개별 접속하도록 제어한다. 제2직병렬 스위치(440)는 로드(10)와 평활회로(420) 사이에 연결되며, 서로 상반되게 동작하는 2개의 스위치(445, 448)로 이루어질 수 있다. 직렬 접속스위치(448)는 로드들(10)을 직렬로 연결하며, 개별 접속스위치(445)는 로드들(10)을 개별 접속방식으로 연결한다. 직렬 접속스위치(448)와 개별 접속스위 치(445)는 어느 하나가 연결되면 다른 하나는 끊어지도록 즉, on/off 상태가 상반되도록 동작한다.The second series-
개별 접속스위치(445)는 개별접속을 위해 평활회로(420)에 포함된 커패시터(Cn,)의 양단(C, D)에 각각 하나씩 연결하여 동시 동작하도록 하는 것이 바람직하며, 제2스위치부(400)의 양 끝단에 위치하는 스위치 모듈(450a, 450b)의 개별 접속스위치(445)는 커패시터(Cn,)의 일단에 연결된 하나의 스위치만으로 이루어진다. 물론 직렬 접속스위치(448)도 마찬가지이다. 이는 끝단에 위치하여 다른 스위칭 모듈과 접속되지 않으므로 하나의 스위치만으로도 개별 접속 여부를 제어할 수 있기 때문이다.The
도 1은 본 발명의 폴리실리콘 제조장치용 전원공급장치의 개략적인 블록도이고,1 is a schematic block diagram of a power supply for a polysilicon manufacturing apparatus of the present invention,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전원공급장치의 개략적인 회로도이고,2 is a schematic circuit diagram of a power supply apparatus according to a first embodiment of the present invention,
도 3a, 3b는 도 2에 도시된 전원공급장치의 제1동작상태를 나타내는 회로도 및 등가회로도이고,3A and 3B are circuit diagrams and equivalent circuit diagrams showing a first operation state of the power supply device shown in FIG.
도 4a, 4b는 도 2에 도시된 전원공급장치의 제2동작상태를 나타내는 회로도 및 등가회로도이고,4A and 4B are circuit diagrams and equivalent circuit diagrams showing a second operation state of the power supply device shown in FIG.
도 5a, 5b는 도 2에 도시된 전원공급장치의 제3동작상태를 나타내는 회로도 및 등가회로도이고,5A and 5B are circuit diagrams and equivalent circuit diagrams showing a third operation state of the power supply device shown in FIG.
도 6a, 6b는 도 2에 도시된 전원공급장치의 제4동작상태를 나타내는 회로도 및 등가회로도이고,6A and 6B are circuit diagrams and equivalent circuit diagrams illustrating a fourth operation state of the power supply device shown in FIG.
도 7은 강제 전류(轉流)형 전력용 반도체 스위치 소자들에 인가되는 PWM신호의 타이밍차트이고,7 is a timing chart of PWM signals applied to forced current type semiconductor switch elements,
도 8a, 8b는 위상지연 운전 유무에 따른 입력전류의 파형을 나타낸 그래프이고,8A and 8B are graphs showing waveforms of input current with and without phase delay operation,
도 9는 실리콘의 석출이 진행됨에 따라 요구되는 전압, 전류의 그래프이고9 is a graph of voltage and current required as the deposition of silicon proceeds.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 개략적인 회로도이고,10 is a schematic circuit diagram according to a second embodiment of the present invention,
도 11은 n개의 스위치 모듈이 연결된 회로도이고,11 is a circuit diagram in which n switch modules are connected;
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 동작모드를 나타내는 등가회로도이다.12 is an equivalent circuit diagram illustrating an operation mode according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
폴리실리콘 제조장치 : 1 로드 : 10Polysilicon Manufacturing Equipment: 1 Rod: 10
전원부 : 100 정류부 : 200Power Supply: 100 Rectifier: 200
제1스위치부 : 300 제2스위치부 : 4001st switch part: 300 2nd switch part: 400
제3스위치부 : 500Third switch part: 500
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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