大管径PECVD设备加热时的总功率调控方法.pdf

近年来，随着太阳能级硅片技术的进步及光伏发电面临的平价上网成本压力，光伏组件技术有向大尺寸、高功率密度方向发展的趋势1。大尺寸硅片在成本和光电转换效率上具备明显优势，可帮助下游的太阳电池、光伏组件、光伏电站等环节实现增效降本。随着大尺寸硅片成为提升光伏组件输出功率的最有效方案之一，与其相关的太阳电池生产设备也需要配套升级。在太阳电池制备的钝化工序中，会使用到管式等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备，利用大尺寸硅片制备太阳电池意味着需采用具有大管径炉管的 PECVD 设备(下文简称为“大管径 PECVD 设备”)，炉管加热时则需要匹配更大功率，导致单台 PECVD 设备加热时的理论最大功率增加了 30%左右。但考虑到成本，大部分太阳电池生产车间的厂务供能指标并未相应增大，导致采用大管径 PECVD 设备加热时的功率无法满足需求。因此，如何解决大管径 PECVD 设备大功率下的供电矛盾成为设备升级的一大难题。基于此，本文以大管径 6 管 PECVD 设备(即 6个炉管 6 个温区)为例，通过利用控制系统实时监测各炉管的工艺过程状态、加热功率输出需求等数据，根据每个炉管温度对该炉管工艺的影响程度，智能调控各炉管各温区的加热功率输出上限，以确保设备总功率保持在最大允许功率之内。1 设备总功率调节需求PECVD 是在硅片表面镀制减反射膜时主要采用的技术。该技术是向炉管反应室腔体中通入工艺气体，利用射频放电产生等离子体，工艺气体在等离子体中获得能量后被激发、电离，发生化学反应生成氮化硅，并在硅片表面沉积形成氮化硅薄膜的过程2。本文研究基于大管径 6 管PECVD 设备，该设备的控制系统由工控机、6个管控系统、上下料系统等组成。工控机运行上位机程序作为人机界面接口；管控系统控制相应工艺炉管的运行，实时控制推舟、温度、流量、DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20220621.01 文章编号：1003-0417(2023)09-93-06大管径 PECVD 设备加热时的总功率调控方法符慧能*，花奇，钟广超(湖南红太阳光电科技有限公司，长沙 410000)摘要：针对大管径等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备炉管数量增多，以及炉管加热时设备功率增大，从而导致设备总功率超过车间最大允许功率限制的情况，以大管径 6 管 PECVD 设备为例，通过利用控制系统实时监测各炉管的工艺过程状态、加热功率输出需求等数据，根据每个炉管温度对该炉管工艺的影响程度，智能调控各炉管各温区的加热功率输出上限，确保了设备总功率保持在最大允许功率之内。实测结果显示：即使在 6 个炉管同时启动工艺的极端工况下，通过采用提出的加热时总功率调节方法，设备整体产能受到的影响也不会超过 8%。所提调节方法有效解决了设备总功率需求和车间厂务供能指标之间的矛盾。关键词：太阳电池；管式 PECVD 设备；大管径；智能调控；加热功率；功率限制 中图分类号：TP29/TM615 文献标志码：A收稿日期：2022-06-21通信作者：符慧能(1990)，男，硕士、高级工程师，主要从事光伏发电相关设备研发及控制系统设计方面的工作。2023-09杂志.indd 932023-09杂志.indd 932023/9/26 10:13:392023/9/26 10:13:392023 年太阳能94压力、高频功率等相关工艺状态；上下料系统负责石墨舟的搬运及其状态信息的管理；各个可编程逻辑控制器(PLC)之间，以及上位机和 PLC 之间均采用基于 TCP/IP 的通信协议进行数据交换。PECVD 设备涉及到温度、流量、压力、高频功率等多个方面的控制，由于工艺过程中需要快速升温，需要配置大功率加热器件，将满载硅片的大尺寸石墨舟从常温快速加热到工艺温度(450550 之间)，因此，设备的主要功率部件是炉体加热部分。本大管径 PECVD 设备的每个炉管配置 1 个额定功率为 95 kW 的变压器，加热时的总额定功率为 570 kW，加上高频电源和真空泵等大功率器件，设备的总功率达到 620 kW 左右。以某公司的实际项目需求为例，其招标文件中厂务供能指标规定设备的最大允许功率不能超过 450 kW，此公司的大管径 6 管 PECVD 设备的额定功率超出最大允许功率的 37%以上。当出现多个炉管同时满功率升温的情况时，设备总电流会超出供电柜的最大允许电流，总断路器会自动安全跳闸，出现设备停机这种重大电气故障。大管径 6 管 PECVD 设备正常生产过程中，由于上下料系统的机械手一次只能执行某个炉管的搬舟动作，自动模式下动作节拍会使各炉管的工艺间隔启动，因此每个炉管的工艺升温过程会相互错开，设备实时功率是远低于额定功率的。但当车间出现停机复机、生产待料等特殊情况时，出现各炉管同时升温的情况的概率较大，此时设备存在跳闸的故障风险。综上所述，通过控制系统调节设备总实时功率的方式是可行而有必要的。2 加热时总功率的调节方法2.1 PECVD 设备的温度控制原理PECVD设备的温度控制原理图如图1所示。?(?)?CX9020?DN25?(?)(?)?CR606A?GP10WPY?(?)380 VRS485(PID?)温控仪接收到炉管 PLC 设定的温度后，通过内外热偶传感器检测各温区实际温度，根据设定温度和实际温度的差值，温控仪通过比例-积分-微分(PID)算法计算控制电流，调功器根据控制电流值控制实际加热电流，从而达到炉体控温的效果。温控仪中操作量输出值 MV为变量，与输入到调功器的电流大小成正比关系，调功器输入电流大小与设备加热时的实时功率成正比关系，因此设备中温控仪的操作量输出值的总和与设备加热时的实时功率成正比关系。MVLi为温控仪操作量输出的上限。在实际调控方案中，PLC 实时调整温控仪操作量输出上限，实现对操作量输出值的实时控制，从而达到对设备加热时总功率的控制。图 1 PECVD 设备的温度控制原理图Fig.1 Schematic diagram of temperature control of PECVD equipment技 术 应 用2023-09杂志.indd 942023-09杂志.indd 942023/9/26 10:13:392023/9/26 10:13:39第 09 期952.2 PECVD 设备的工艺状态针对炉管，PECVD 设备控制系统的运行状态分为 4 类，分别为未工艺、工艺未淀积、工艺淀积中、工艺淀积完成。考虑温度对工艺的影响程度，工艺淀积中受到的影响程度最大，此时炉管执行到沉积薄膜的阶段，温度偏差也会对薄膜工艺质量产生较大影响，因此需要最大限度的满足工艺加热需求；工艺未淀积受到的影响程度其次，此时炉管内石墨舟处于升温阶段，加热功率大小决定了到达工艺设定温度所需的时间，也决定了设备的产能；未工艺受到的影响程度最小，此时炉管处于空闲状态，温度对设备无影响。综上可得到温度对 PECVD 设备控制系统运行状态的影响程度：工艺淀积中 工艺未淀积 工艺淀积完成 未工艺。2.3 加热时总功率实时调控逻辑控制系统实时监控各炉管的工艺状态和加热状态，确保设备加热时的总功率不超过运行范围，根据各炉管的加热需求和受影响程度分配各炉管各温区加热时的功率输出上限，即分配各个温区的加热能力。在上下料系统控制程序中增加了功率控制功能模块 FB_PowerControl，可实现加热时总功率的实时控制，该功能模块由 ADS(倍福控制器内基于 TCP/IP 的一种通信协议)通信功能模块 TubeADS、操作量自动更新功能模块 MVUpadate 和操作量自动调节功能模块 MVAutoCtr 组成。1)TubeADS 功能模块：使用基于 TCP/IP 的协议实现 PLC 之间的数据交换，将各炉管的工艺状态和加热状态统计到上下料系统。该功能模块内使用状态机以200 ms为周期进行循环读写，其中，读取模块 ADS_READ 通过 ADS 协议获取各炉管的工艺状态、淀积状态、温控仪各温区实时操作量输出值 MV_PV、输出上限 MVLi_PV；写入模块 ADS_WRITE 通过 ADS 协议写入各炉管各温区输出上限 MVLi_SV。2)MVUpadate 功能模块：该功能模块根据设定的功率安全系数(即厂务供能指标允许的设备最大功率与设备最大功率的比值)计算出设备加热时功率输出总和上限值，同时实时计算设备加热时的功率输出限制总量，并判断各温区的加热需求。设备加热时功率输出总和上限 To_MV_Lim是根据设备的炉管数、温区数和功率安全系数这 3 个参数计算得出，每个项目根据设备和厂务情况可以得到固定的数值。该数值是设备加热时总功率的调节目标，设备所有炉管所有温区的输出总和不能超过该限制值。设备加热时功率输出限制总量 MVLi_PV_Tot为各炉管各温区输出上限值相加得到，基于温控仪控制原理，各温区实时加热时的操作量输出小于等于输出上限，因此只要设备加热时功率输出限制总量小于设备加热时功率输出总和上限值，则设备的操作量输出总和也会保持在安全限制之下。温区加热需求通过比较操作量输出值和操作量输出上限值得到，当某温区操作量输出值等于操作量输出上限时，则标记该温区为加热输出需求区 bUp_Tem_Zon；当操作量输出值小于操作量输出上限值，则标记该温区为加热输出冗余区 bDow_Tem_Zon。3)MVAutoCtr 功能模块：根据设备的实时功率输出限制总和、设备加热时功率输出限制总量占设备加热时功率输出总和上限值的比例 P(下文简称为“功率限制比例”)及各炉管的工艺状态，实时分配各温区的操作量输出上限值。对于未工艺的炉管，其加热输出冗余区温区的操作量输出上限每次下降10，直至降至最小值10；其加热输出需求区温区，当MVLi_PV_Tot0.8To_MV_Lim时，所有温区(冗余区+需求区)的数值降低至 50；当功率限制比例超过 0.9 时，则所有温区的数值降至 30。对于工艺淀积中的炉管，其加热输出需求区温区的操作量输出上限每次增加 20，直至最大值 100；其加热输出冗余区温区，当 MVLi_PV_Tot 技 术 应 用符慧能等：大管径 PECVD 设备加热时的总功率调控方法2023-09杂志.indd 952023-09杂志.indd 952023/9/26 10:13:392023/9/26 10:13:392023 年太阳能960.95To_MV_Lim时，操作量输出上限每次减少 5，最小下降至 50。对于工艺未淀积的炉管，其加热输出冗余区温区，当 MVLi_PV_Tot0.8To_MV_Lim时，操作量输出上限值每次减少 10，直至最小值 50；其加热输出需求区温区的操作量输出上限每次增加 10，直至最大值 100。对于工艺淀积完成的炉管，其加热输出冗余区温区的操作量输出上限值每次减少 10，当MVLi_PV_Tot0.85To_MV_Lim时，最小降至 20；否则最小降至 50。其加热输出需求区温区的操作量输出上限值每次增加 10，当 MVLi_PV_Tot0.8To_MV_Lim时，最大增至 100；否则最大增至 80。功率控制功能模块的逻辑框图如图 2 所示。图 2 功率控制功能模块的逻辑框图Fig.2 Logic block diagram of power control function module3 现场测试以大管径 6 管 PECVD 设备作为测试对象，在总进电处电气板安装由长沙威盛电子科技有限公司生产的型号为 DTSD342 的电能表作为测量仪器。被测设备处于不同的功率限制比例且各炉管处于不同工艺状态下，记录设备的总功率输出和各炉管的工艺数据，以此为基础分析上述调控方法的可行性和有效性。电能表的实时功率监测图如图 3 所示。图 3 电能表的实时功率监测图Fig.3 Real time power monitoring picture of electric energy metersbDow_Tem_Zon?MVLiMVLi?101)?To_MV_Lim?2)?ADS?M?MVLi_PV?3)?MVLi_PV_Tot?4)?bDow_Tem_Zone?bUp_Tem_Zon?MVLi?30?50?MVLi_PV_Tot?0?8To_MV_Lim?50?0?9?30bUp_Tem_Zon?MVLi_PV_Tot?0?5To_MV_Lim?MVLi?10?80bUp_Tem_Zon?20?100bDow_Tem_Zon?MVLi_PV_Tot?0?95To_MV_Lim?MVLi?5?50?MVLi_PV_Tot?0?8To_MV_Lim?MVLi?10?50?MVLi?10?100?MVLi?MVLi?10?MVLi_PV_Tot?0.85To_MV_Lim?20?50?10?MVLi_PV_Tot?0.8To_MV_Lim?100?80bDow_Tem_Zon?bUp_Tem_Zon?bDow_Tem_Zon?bUp_Tem_Zon?10?M?MVLi?技 术 应 用2023-09杂志.indd 962023-09杂志.indd 962023/9/26 10:13:402023/9/26 10:13:40第 09 期97测试时使用在厂务需求中常见的0.65和0.75这两种功率安全系数，在两种功率安全系数下，单台 PECVD 设备理论允许的全功率升温炉管数分别为 3.9 和 4.5，则 4 个炉管同时工艺升温不会超过安全功率限制，因此只需模拟 5 个炉管和6 个炉管同时工艺升温时的情况。功率调节对工艺影响的测试结果如表 1 所示。表中：单炉管超时系数等于单炉管恒温步最长超时时间/单炉管恒温步时间；设备整体超时系数等于设备恒温步总超时时间/(单炉管恒温步时间 6)；工艺中的正常恒温时间为 720 s。根据表 1 的测试结果可以看出：表 1 功率调节对工艺影响的测试结果Table 1 Test Results of power regulation impact on process功率安全系数同时工艺炉管数/个单炉管恒温步最长 超时时间/s单炉管超时系数设备恒温步总 超时时间/s设备整体超时系数0.655680.0941680.03961350.1863430.0790.755450.0631270.0296980.1361860.0431)当功率安全系数为 0.65 时，在同时启动 5个炉管的情况下，单炉管恒温步最长超时时间为68 s，相对于单次工艺中的正常恒温时间(720 s)而言，单炉管超时系数为 0.094；此时对应的设备恒温步总超时时间为 168 s，相比于设备恒温步总时间，设备整体超时系数为 0.039。当功率安全系数为 0.65 时，在同时启动 6 个炉管的情况下，单炉管超时系数为 0.186，对应的设备整体超时系数为 0.079。2)当功率安全系数为 0.75 时，在同时启动 5个炉管的情况下，单炉管超时系数为 0.063，对应的设备整体超时系数为 0.029；在同时启动 6个炉管的情况下，单炉管超时系数为 0.136，对应的设备整体超时系数为 0.043。根据以上结果可以看出，在现有厂房 PECVD设备条件下，即使 6 个炉管同时启动工艺，通过采用本文提出的加热时总功率调节方法，设备整体产能受到的影响不会超过 8%；而且在不增加设备硬件的情况下，既保证了设备加热时功率保持在安全功率范围之内，又最小程度的影响了设备的产能。4 结论针对大管径 PECVD 设备炉管数量增多，以及炉管加热时设备功率增大，从而导致设备总功率超过车间最大允许功率限制的情况，本文以大管径 6 管 PECVD 设备为例，通过利用控制系统实时监测各炉管的工艺过程状态、加热功率输出需求等数据，并根据每个炉管温度对该炉管工艺的影响程度，智能调控各炉管各温区的加热功率输出上限，确保了设备总功率保持在最大允许功率之内。实测结果显示：即使在 6 个炉管同时启动工艺的极端工况下，通过采用本文提出的加热时的总功率调节方法，设备整体产能受到的影响也不会超过 8%；而且在不增加设备硬件的情况下，既保证了设备加热时的功率保持在安全功率范围之内，又最小程度的影响了设备的产能。为解决设备总功率需求和车间厂务供给之间的矛盾提供了一种低成本而高效的创新方法。参考文献 1 中国光伏行业协会.20192020 年中国光伏产业年度报告 R.北京：中国光伏行业协会.S.l.：s.n.，2021.2 何素明.等离子体增强化学气相沉积工艺制备 SiON 膜及对硅的钝化 J.物理学报，2014，63(12)：370-376.技 术 应 用符慧能等：大管径 PECVD 设备加热时的总功率调控方法2023-09杂志.indd 972023-09杂志.indd 972023/9/26 10:13:402023/9/26 10:13:402023 年太阳能98 METHOD FOR ADJUSTING TOTAL POWER OF LARGE-DIAMETER PECVD EQUIPMENT DURING HEATINGFu Huineng，Hua Qi，Zhong Guangchao(Hunan Red Solar Photoelectricity Science and Technology Co.,Ltd.，Changsha 410000，China)Abstract：In response to the increase in the number of furnace tubes in large-diameter PECVD equipment and the increase in power during furnace tube heating，resulting in the total power of the equipment exceeding the maximum allowable power limit in the workshop.This paper takes the large-diameter six-tube PECVD equipment as an example，and uses a control system to monitor the process status，heating power output demand，and other data of each furnace tube in real-time，based on the degree of influence of each furnace tube temperature on the furnace tube process，intelligent regulation of the upper limit of heating power output in each temperature zone of each furnace tube ensures that the total power of the equipment remains within the maximum allowable power.The actual measurement results show that even under extreme operating conditions where six furnace tubes are started simultaneously，the overall production capacity of the equipment will not be affected by more than 8%by using the method for total power adjustment during heating proposed in this paper.The proposed adjustment method effectively solves the contradiction between the total power demand of equipment and the supply of workshop maintenance.Keywords：solar cells；tubular PECVD equipment；large-diameter；intelligent regulation；heating power；power limitation技 术 应 用2023-09杂志.indd 982023-09杂志.indd 982023/9/26 10:13:402023/9/26 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