[发明专利]MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法

说明书

本发明公开了MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，针对MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁电源，将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，设计了基于增量式切换项的模糊滑模变结构控制方法。本发明利用滑模控制具有较强鲁棒性的优点，提高系统的动态性能；利用模糊控制对切换项系数进行实时调整，以减小滑模控制中存在的抖振；利用增量式切换项对输出占空比进行调整，以消除实际控制中存在的稳态误差并降低系统对噪声的灵敏度；在每个开关周期内对开关管的占空比进行补偿，动态地调整占空比的大小，在保证较大误差情况下趋近速度同时，保证了滑模面附近的误差精度，改善了系统的总体性能。

技术领域

本发明涉及超导励磁电源技术领域，尤其涉MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法。

背景技术

单晶硅被广泛应用于光伏电池及集成电路的制造。单晶硅的制造方法通常是将多晶硅在高温下融化，再用直拉法或区熔法从熔体中生长出棒状的单晶硅。由于成本及性能的原因，直拉(CZ)法单晶硅材料应用最广。

在单晶炉外施加强磁场可以改变炉内溶体对流，在磁场环境下利用CZ法生长硅单晶的方法称为MCZ法，该方法可以控制氧碳等杂质的含量及分布均匀性，进而改善硅单晶的品质。超导磁体具有体积小，容量大、功耗低的特点，被广泛应用于需要强磁场的领域。针对MCZ硅单晶炉，超导磁体励磁电流微小的波动就会引起磁场及分布的较大变化，从而破坏原有的晶体生长环境，影响硅单晶的品质。因此，为了生产出高品质硅单晶，MCZ单晶炉用超导磁体对励磁电源的精度、稳定度和可靠性提出了更高的要求。

滑模变结构控制与传统控制方法的主要区别体现在其控制结构的不连续，这种不连续在带来抗扰动能力的同时，也限制了其在高精度控制系统中的应用。滑模控制中的滑模面、趋近项等可根据实际情况进行设计，这为滑模控制的改进提供了便利。模糊控制算法通过不确定的语言对变量进行描述、通过隶属度函数与模糊规则将不连续变量连续化。因此，利用模糊控制的特点对滑模控制的切换项进行调整，可以改善滑模控制中的高频抖振问题。在此基础上，将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，使得在每一个控制周期中，模糊系统根据滑模面系数输出切换项的增量。利用该方法控制超导励磁电源，以提高励磁电源的输出精度。

发明内容

本发明的目的在于提供MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流；

步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型；

步骤3：根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，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：输出电流信号的隔离采集，采集步骤1输出的直流电流信号，作为反馈信号送给步骤3得到的模糊滑模控制器，将模糊滑模控制器求出控制量输出至PWM驱动器，通过隔离驱动电路控制MOSFET的开关；

步骤5：模糊滑模控制器所得的控制量的变化通过隔离驱动电路改变BUCK电路中功率器件的占空比来调节输出电流的大小；当输出电流高于给定值时，减少周期内开通时间，减小占空比；当输出电流低于给定值时，增加周期内的开通时间，增大占空比，通过占空比保证电流的平稳输出。

作为本案发明进一步的方案，其中步骤2中通过关键参数建立模型，具体参数包括：V_in为输入直流电压，L₁为滤波电感，L₂为负载电感，C为滤波电容，R为负载电阻，I_o为输出电流，I_ref为给定电流，d为占空比；具体按照以下步骤实施：