大管徑PECVD設(shè)備加熱時(shí)的總功率調(diào)控方法

符慧能，花 奇，鐘廣超

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

近年來，隨著太陽能級(jí)硅片技術(shù)的進(jìn)步及光伏發(fā)電面臨的平價(jià)上網(wǎng)成本壓力，光伏組件技術(shù)有向大尺寸、高功率密度方向發(fā)展的趨勢(shì)[1]。大尺寸硅片在成本和光電轉(zhuǎn)換效率上具備明顯優(yōu)勢(shì)，可幫助下游的太陽電池、光伏組件、光伏電站等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)增效降本。隨著大尺寸硅片成為提升光伏組件輸出功率的最有效方案之一，與其相關(guān)的太陽電池生產(chǎn)設(shè)備也需要配套升級(jí)。

在太陽電池制備的鈍化工序中，會(huì)使用到管式等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備，利用大尺寸硅片制備太陽電池意味著需采用具有大管徑爐管的PECVD設(shè)備(下文簡(jiǎn)稱為“大管徑PECVD設(shè)備”)，爐管加熱時(shí)則需要匹配更大功率，導(dǎo)致單臺(tái)PECVD設(shè)備加熱時(shí)的理論最大功率增加了30%左右。但考慮到成本，大部分太陽電池生產(chǎn)車間的廠務(wù)供能指標(biāo)并未相應(yīng)增大，導(dǎo)致采用大管徑PECVD設(shè)備加熱時(shí)的功率無法滿足需求。因此，如何解決大管徑PECVD設(shè)備大功率下的供電矛盾成為設(shè)備升級(jí)的一大難題?；诖耍疚囊源蠊軓?管PECVD設(shè)備(即6個(gè)爐管6個(gè)溫區(qū))為例，通過利用控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各爐管的工藝過程狀態(tài)、加熱功率輸出需求等數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)爐管溫度對(duì)該爐管工藝的影響程度，智能調(diào)控各爐管各溫區(qū)的加熱功率輸出上限，以確保設(shè)備總功率保持在最大允許功率之內(nèi)。

1 設(shè)備總功率調(diào)節(jié)需求

PECVD是在硅片表面鍍制減反射膜時(shí)主要采用的技術(shù)。該技術(shù)是向爐管反應(yīng)室腔體中通入工藝氣體，利用射頻放電產(chǎn)生等離子體，工藝氣體在等離子體中獲得能量后被激發(fā)、電離，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮化硅，并在硅片表面沉積形成氮化硅薄膜的過程[2]。本文研究基于大管徑6管PECVD設(shè)備，該設(shè)備的控制系統(tǒng)由工控機(jī)、6個(gè)管控系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)等組成。工控機(jī)運(yùn)行上位機(jī)程序作為人機(jī)界面接口；管控系統(tǒng)控制相應(yīng)工藝爐管的運(yùn)行，實(shí)時(shí)控制推舟、溫度、流量、壓力、高頻功率等相關(guān)工藝狀態(tài)；上下料系統(tǒng)負(fù)責(zé)石墨舟的搬運(yùn)及其狀態(tài)信息的管理；各個(gè)可編程邏輯控制器(PLC)之間，以及上位機(jī)和PLC之間均采用基于TCP/IP的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

PECVD設(shè)備涉及到溫度、流量、壓力、高頻功率等多個(gè)方面的控制，由于工藝過程中需要快速升溫，需要配置大功率加熱器件，將滿載硅片的大尺寸石墨舟從常溫快速加熱到工藝溫度(450～550 ℃之間)，因此，設(shè)備的主要功率部件是爐體加熱部分。

本大管徑PECVD設(shè)備的每個(gè)爐管配置1個(gè)額定功率為95 kW的變壓器，加熱時(shí)的總額定功率為570 kW，加上高頻電源和真空泵等大功率器件，設(shè)備的總功率達(dá)到620 kW左右。以某公司的實(shí)際項(xiàng)目需求為例，其招標(biāo)文件中廠務(wù)供能指標(biāo)規(guī)定設(shè)備的最大允許功率不能超過450 kW，此公司的大管徑6管PECVD設(shè)備的額定功率超出最大允許功率的37%以上。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)爐管同時(shí)滿功率升溫的情況時(shí)，設(shè)備總電流會(huì)超出供電柜的最大允許電流，總斷路器會(huì)自動(dòng)安全跳閘，出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)這種重大電氣故障。

大管徑6管PECVD設(shè)備正常生產(chǎn)過程中，由于上下料系統(tǒng)的機(jī)械手一次只能執(zhí)行某個(gè)爐管的搬舟動(dòng)作，自動(dòng)模式下動(dòng)作節(jié)拍會(huì)使各爐管的工藝間隔啟動(dòng)，因此每個(gè)爐管的工藝升溫過程會(huì)相互錯(cuò)開，設(shè)備實(shí)時(shí)功率是遠(yuǎn)低于額定功率的。但當(dāng)車間出現(xiàn)停機(jī)復(fù)機(jī)、生產(chǎn)待料等特殊情況時(shí)，出現(xiàn)各爐管同時(shí)升溫的情況的概率較大，此時(shí)設(shè)備存在跳閘的故障風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)備總實(shí)時(shí)功率的方式是可行而有必要的。

2 加熱時(shí)總功率的調(diào)節(jié)方法

2.1 PECVD設(shè)備的溫度控制原理

PECVD設(shè)備的溫度控制原理圖如圖1所示。

圖1 PECVD設(shè)備的溫度控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of temperature control of PECVD equipment

溫控儀接收到爐管PLC設(shè)定的溫度后，通過內(nèi)外熱偶傳感器檢測(cè)各溫區(qū)實(shí)際溫度，根據(jù)設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的差值，溫控儀通過比例-積分-微分(PID)算法計(jì)算控制電流，調(diào)功器根據(jù)控制電流值控制實(shí)際加熱電流，從而達(dá)到爐體控溫的效果。

溫控儀中操作量輸出值MV為變量，與輸入到調(diào)功器的電流大小成正比關(guān)系，調(diào)功器輸入電流大小與設(shè)備加熱時(shí)的實(shí)時(shí)功率成正比關(guān)系，因此設(shè)備中溫控儀的操作量輸出值的總和與設(shè)備加熱時(shí)的實(shí)時(shí)功率成正比關(guān)系。MVLi為溫控儀操作量輸出的上限。在實(shí)際調(diào)控方案中，PLC實(shí)時(shí)調(diào)整溫控儀操作量輸出上限，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作量輸出值的實(shí)時(shí)控制，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備加熱時(shí)總功率的控制。

2.2 PECVD設(shè)備的工藝狀態(tài)

針對(duì)爐管，PECVD設(shè)備控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為4類，分別為未工藝、工藝未淀積、工藝淀積中、工藝淀積完成。考慮溫度對(duì)工藝的影響程度，工藝淀積中受到的影響程度最大，此時(shí)爐管執(zhí)行到沉積薄膜的階段，溫度偏差也會(huì)對(duì)薄膜工藝質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因此需要最大限度的滿足工藝加熱需求；工藝未淀積受到的影響程度其次，此時(shí)爐管內(nèi)石墨舟處于升溫階段，加熱功率大小決定了到達(dá)工藝設(shè)定溫度所需的時(shí)間，也決定了設(shè)備的產(chǎn)能；未工藝受到的影響程度最小，此時(shí)爐管處于空閑狀態(tài)，溫度對(duì)設(shè)備無影響。綜上可得到溫度對(duì)PECVD設(shè)備控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響程度：工藝淀積中>工藝未淀積>工藝淀積完成>未工藝。

2.3 加熱時(shí)總功率實(shí)時(shí)調(diào)控邏輯

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各爐管的工藝狀態(tài)和加熱狀態(tài)，確保設(shè)備加熱時(shí)的總功率不超過運(yùn)行范圍，根據(jù)各爐管的加熱需求和受影響程度分配各爐管各溫區(qū)加熱時(shí)的功率輸出上限，即分配各個(gè)溫區(qū)的加熱能力。在上下料系統(tǒng)控制程序中增加了功率控制功能模塊FB_PowerControl，可實(shí)現(xiàn)加熱時(shí)總功率的實(shí)時(shí)控制，該功能模塊由ADS(倍福控制器內(nèi)基于TCP/IP的一種通信協(xié)議)通信功能模塊TubeADS、操作量自動(dòng)更新功能模塊MVUpadate和操作量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能模塊MVAutoCtr組成。

1) TubeADS功能模塊：使用基于TCP/IP的協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)交換，將各爐管的工藝狀態(tài)和加熱狀態(tài)統(tǒng)計(jì)到上下料系統(tǒng)。該功能模塊內(nèi)使用狀態(tài)機(jī)以200 ms為周期進(jìn)行循環(huán)讀寫，其中，讀取模塊ADS_READ通過ADS協(xié)議獲取各爐管的工藝狀態(tài)、淀積狀態(tài)、溫控儀各溫區(qū)實(shí)時(shí)操作量輸出值MV_PV、輸出上限MVLi_PV；寫入模塊ADS_WRITE通過ADS協(xié)議寫入各爐管各溫區(qū)輸出上限MVLi_SV。

2) MVUpadate功能模塊：該功能模塊根據(jù)設(shè)定的功率安全系數(shù)(即廠務(wù)供能指標(biāo)允許的設(shè)備最大功率與設(shè)備最大功率的比值)計(jì)算出設(shè)備加熱時(shí)功率輸出總和上限值，同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算設(shè)備加熱時(shí)的功率輸出限制總量，并判斷各溫區(qū)的加熱需求。

設(shè)備加熱時(shí)功率輸出總和上限To_MV_Lim是根據(jù)設(shè)備的爐管數(shù)、溫區(qū)數(shù)和功率安全系數(shù)這3個(gè)參數(shù)計(jì)算得出，每個(gè)項(xiàng)目根據(jù)設(shè)備和廠務(wù)情況可以得到固定的數(shù)值。該數(shù)值是設(shè)備加熱時(shí)總功率的調(diào)節(jié)目標(biāo)，設(shè)備所有爐管所有溫區(qū)的輸出總和不能超過該限制值。設(shè)備加熱時(shí)功率輸出限制總量MVLi_PV_Tot為各爐管各溫區(qū)輸出上限值相加得到，基于溫控儀控制原理，各溫區(qū)實(shí)時(shí)加熱時(shí)的操作量輸出小于等于輸出上限，因此只要設(shè)備加熱時(shí)功率輸出限制總量小于設(shè)備加熱時(shí)功率輸出總和上限值，則設(shè)備的操作量輸出總和也會(huì)保持在安全限制之下。溫區(qū)加熱需求通過比較操作量輸出值和操作量輸出上限值得到，當(dāng)某溫區(qū)操作量輸出值等于操作量輸出上限時(shí)，則標(biāo)記該溫區(qū)為加熱輸出需求區(qū)bUp_Tem_Zon；當(dāng)操作量輸出值小于操作量輸出上限值，則標(biāo)記該溫區(qū)為加熱輸出冗余區(qū)bDow_Tem_Zon。

3) MVAutoCtr功能模塊：根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)功率輸出限制總和、設(shè)備加熱時(shí)功率輸出限制總量占設(shè)備加熱時(shí)功率輸出總和上限值的比例P(下文簡(jiǎn)稱為“功率限制比例”)及各爐管的工藝狀態(tài)，實(shí)時(shí)分配各溫區(qū)的操作量輸出上限值。

對(duì)于未工藝的爐管，其加熱輸出冗余區(qū)溫區(qū)的操作量輸出上限每次下降10，直至降至最小值10；其加熱輸出需求區(qū)溫區(qū)，當(dāng)MVLi_PV_Tot<0.5To_MV_Lim時(shí)，該溫區(qū)的操作量輸出上限每次增加10，直至達(dá)到最大值80；當(dāng)MVLi_PV_Tot>0.8To_MV_Lim時(shí)，所有溫區(qū)(冗余區(qū)+需求區(qū))的數(shù)值降低至50；當(dāng)功率限制比例超過0.9時(shí)，則所有溫區(qū)的數(shù)值降至30。

對(duì)于工藝淀積中的爐管，其加熱輸出需求區(qū)溫區(qū)的操作量輸出上限每次增加20，直至最大值100；其加熱輸出冗余區(qū)溫區(qū)，當(dāng)MVLi_PV_Tot>0.95To_MV_Lim時(shí)，操作量輸出上限每次減少5，最小下降至50。

對(duì)于工藝未淀積的爐管，其加熱輸出冗余區(qū)溫區(qū)，當(dāng)MVLi_PV_Tot>0.8To_MV_Lim時(shí)，操作量輸出上限值每次減少10，直至最小值50；其加熱輸出需求區(qū)溫區(qū)的操作量輸出上限每次增加10，直至最大值100。

對(duì)于工藝淀積完成的爐管，其加熱輸出冗余區(qū)溫區(qū)的操作量輸出上限值每次減少10，當(dāng)MVLi_PV_Tot>0.85To_MV_Lim時(shí)，最小降至20；否則最小降至50。其加熱輸出需求區(qū)溫區(qū)的操作量輸出上限值每次增加10，當(dāng)MVLi_PV_Tot<0.8To_MV_Lim時(shí)，最大增至100；否則最大增至80。

功率控制功能模塊的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 功率控制功能模塊的邏輯框圖Fig.2 Logic block diagram of power control function module

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

以大管徑6管PECVD設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象，在總進(jìn)電處電氣板安裝由長(zhǎng)沙威盛電子科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DTSD342的電能表作為測(cè)量?jī)x器。被測(cè)設(shè)備處于不同的功率限制比例且各爐管處于不同工藝狀態(tài)下，記錄設(shè)備的總功率輸出和各爐管的工藝數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)分析上述調(diào)控方法的可行性和有效性。電能表的實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)圖如圖3所示。

圖3 電能表的實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)圖Fig.3 Real time power monitoring picture of electric energy meters

測(cè)試時(shí)使用在廠務(wù)需求中常見的0.65和0.75這兩種功率安全系數(shù)，在兩種功率安全系數(shù)下，單臺(tái)PECVD設(shè)備理論允許的全功率升溫爐管數(shù)分別為3.9和4.5，則4個(gè)爐管同時(shí)工藝升溫不會(huì)超過安全功率限制，因此只需模擬5個(gè)爐管和6個(gè)爐管同時(shí)工藝升溫時(shí)的情況。

功率調(diào)節(jié)對(duì)工藝影響的測(cè)試結(jié)果如表1所示。表中：?jiǎn)螤t管超時(shí)系數(shù)等于單爐管恒溫步最長(zhǎng)超時(shí)時(shí)間/單爐管恒溫步時(shí)間；設(shè)備整體超時(shí)系數(shù)等于設(shè)備恒溫步總超時(shí)時(shí)間/(單爐管恒溫步時(shí)間×6)；工藝中的正常恒溫時(shí)間為720 s。

表1 功率調(diào)節(jié)對(duì)工藝影響的測(cè)試結(jié)果Table 1 Test Results of power regulation impact on process

根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果可以看出：

1)當(dāng)功率安全系數(shù)為0.65時(shí)，在同時(shí)啟動(dòng)5個(gè)爐管的情況下，單爐管恒溫步最長(zhǎng)超時(shí)時(shí)間為68 s，相對(duì)于單次工藝中的正常恒溫時(shí)間(720 s)而言，單爐管超時(shí)系數(shù)為0.094；此時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)備恒溫步總超時(shí)時(shí)間為168 s，相比于設(shè)備恒溫步總時(shí)間，設(shè)備整體超時(shí)系數(shù)為0.039。當(dāng)功率安全系數(shù)為0.65時(shí)，在同時(shí)啟動(dòng)6個(gè)爐管的情況下，單爐管超時(shí)系數(shù)為0.186，對(duì)應(yīng)的設(shè)備整體超時(shí)系數(shù)為0.079。

2)當(dāng)功率安全系數(shù)為0.75時(shí)，在同時(shí)啟動(dòng)5個(gè)爐管的情況下，單爐管超時(shí)系數(shù)為0.063，對(duì)應(yīng)的設(shè)備整體超時(shí)系數(shù)為0.029；在同時(shí)啟動(dòng)6個(gè)爐管的情況下，單爐管超時(shí)系數(shù)為0.136，對(duì)應(yīng)的設(shè)備整體超時(shí)系數(shù)為0.043。

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，在現(xiàn)有廠房PECVD設(shè)備條件下，即使6個(gè)爐管同時(shí)啟動(dòng)工藝，通過采用本文提出的加熱時(shí)總功率調(diào)節(jié)方法，設(shè)備整體產(chǎn)能受到的影響不會(huì)超過8%；而且在不增加設(shè)備硬件的情況下，既保證了設(shè)備加熱時(shí)功率保持在安全功率范圍之內(nèi)，又最小程度的影響了設(shè)備的產(chǎn)能。

4 結(jié)論

針對(duì)大管徑PECVD設(shè)備爐管數(shù)量增多，以及爐管加熱時(shí)設(shè)備功率增大，從而導(dǎo)致設(shè)備總功率超過車間最大允許功率限制的情況，本文以大管徑6管PECVD設(shè)備為例，通過利用控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各爐管的工藝過程狀態(tài)、加熱功率輸出需求等數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個(gè)爐管溫度對(duì)該爐管工藝的影響程度，智能調(diào)控各爐管各溫區(qū)的加熱功率輸出上限，確保了設(shè)備總功率保持在最大允許功率之內(nèi)。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示：即使在6個(gè)爐管同時(shí)啟動(dòng)工藝的極端工況下，通過采用本文提出的加熱時(shí)的總功率調(diào)節(jié)方法，設(shè)備整體產(chǎn)能受到的影響也不會(huì)超過8%；而且在不增加設(shè)備硬件的情況下，既保證了設(shè)備加熱時(shí)的功率保持在安全功率范圍之內(nèi)，又最小程度的影響了設(shè)備的產(chǎn)能。為解決設(shè)備總功率需求和車間廠務(wù)供給之間的矛盾提供了一種低成本而高效的創(chuàng)新方法。