[发明专利]Cz硅单晶炉用高频开关电源的控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于Cz硅单晶炉用高频开关电源控制技术领域，涉及一种高频开关电源的控制系统，具体涉及一种Cz硅单晶炉用高频开关电源的控制系统，本发明还涉及采用上述控制系统进行控制的方法。

背景技术

工业单晶硅（不论是太阳能级还是IC级）90%以上是采用Cz（Czochralski）法生长，即在真空环境下将多晶硅熔化成硅液在1420℃左右的温度环境里通过籽晶引导提拉生长成单晶硅，这些单晶硅被广泛应用于太阳能和集成电路行业作为最基本的材料。加热电源是直拉硅单晶炉的心脏和动力，其控制精度、可靠性、转换效率等是单晶硅行业提高生产效率和效益的基础。以IGBT为功率器件的开关加热电源利用IGBT功率半导体器件作为开关管，利用高频脉宽调制（PWM）技术或者高频脉冲频率调制技术（PFM）控制电流的通断以形成高频脉冲电流；在电感（高频变压器）的帮助下，通过二极管全波整流输出稳定的低压大电流。该类电源具有转换效率高、功率因数高、体积小、稳定性好等优点。目前，硅单晶生长正向着高纯度、高完整性、高均匀性和大直径方向发展，这对开关电源的控制精度提出了更高要求，需要通过先进的控制算法来提高系统的抗扰能力，以获得高精度的直流电源为加热器提供电能。

常规PID控制方法在负载突变和输入电压扰动时需要较长的调节时间，动态特性较差，导致电源输出功率波动，影响单晶品质；同时，由于高频开关电源自身的非线性特点，采用传统的PID控制还存在一些不足之处，例如当工作在占空比较大的工作点时，输出电压会出现比较明显的超调和振荡，不利于开关电源的稳定工作。

滑模变结构控制方法通过控制首先使系统的状态轨迹运动到适当选取的切换面，然后使状态轨线沿着切换面渐进运动到平衡点，系统一旦进入滑动模态运动，在一定条件下，就对外界干扰及参数扰动具有不变性。由于变结构控制不需要精确的模型和参数估计，因此该方法具有算法简单、抗干扰性能好、容易在线实现等优点，适用于不确定非线性多变量的控制对象。针对开关电源的非线性特点，可以将滑模变结构等非线性控制理论引入到高频开关电源的控制策略中。但是，开关特性在本质上是不连续的，因此滑模变结构控制系统存在抖振问题。在滑模变结构控制中引入模糊控制理论，可以将抖振的影响削弱甚至消除，进一步提高滑模控制的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种Cz硅单晶炉用高频开关电源的控制系统，解决了现有控制系统动态特性较差，导致电源输出功率波动，影响单晶品质的问题。

本发明的另一目的是提供采用上述控制系统对Cz硅单晶炉用高频开关电源进行控制的方法。

本发明所采用的技术方案是，Cz硅单晶炉用高频开关电源的控制系统，包括依次连接的模拟信号隔离采集转换电路、数字低通滤波器、自适应模糊滑模控制器、PWM产生模块及IGBT隔离驱动电路，模拟信号隔离采集转换电路、IGBT隔离驱动电路分别与功率部分主电路连接，模拟信号隔离采集转换电路通过软核处理器与LED显示模块、键盘及上位机连接；

本发明所采用的另一技术方案是，Cz硅单晶炉用高频开关电源的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：开关电源功率部分主电路输入部分接入交流电压，经过前端滤波整流，全桥逆变过程及高频变压器作用后进行了电压变换，后端整流滤波之后，得到输出直流电压；

步骤2：根据被控对象建立模型，获得模型中的关键参数：输入电压V_DC，负载电感L_f，负载电容C_o，负载电阻R，原边电压损失与负载电流之比R_d；

步骤3：根据步骤2中的模型设计自适应模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和控制律，得到闭环控制系统；

步骤4：模拟信号隔离采集转换电路采集步骤1输出的直流电压信号，作为反馈信号送给步骤3得到的自适应模糊滑模控制器，自适应模糊滑模控制器求出控制量，并输出PWM驱动信号到IGBT隔离驱动电路放大；

步骤5：放大后的驱动信号控制全桥逆变器的占空比，当输出电压高于设定值时，减少IGBT隔离驱动电路的开通时间，减小占空比；当输出电压低于设定值时，增大IGBT隔离驱动电路的开通时间，升高占空比，从而控制开关管的开通和关断，调节输出电压平稳。

本发明的特点还在于，

其中的步骤2根据被控对象建立模型，获得模型中的关键参数，具体按照以下步骤实施：