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)

0 引言

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、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(450～550 ℃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。

图1 PECVD设备的温度控制原理图Fig.1 Schematic diagram of temperature control of PECVD equipment

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。

2.2 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_Tot<0.5To_MV_Lim时，该温区的操作量输出上限每次增加10，直至达到最大值80；当MVLi_PV_Tot>0.8To_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>0.95To_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_Tot>0.8To_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_Tot>0.85To_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_Tot<0.8To_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 module

3 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 meters

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。

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

根据表1的测试结果可以看出：

1)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。