CN102810994A - 以逆变器进行电流转换的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以逆变器进行电流转换的装置。提供了一种用于转换电流的装置，其中初级侧的终端自大电流变压器的第一侧上的大电流变压器引出，而次级侧的终端自所述大电流变压器的第二侧上的大电流变压器引出。所述逆变器被布置在大电流变压器的第一侧上，而至少一个电容器被布置在大电流变压器的第二侧上，并且大电流变压器的次级侧的至少一个第一终端直接连接所述至少一个电容器的第一终端，而无需中间连接的电气线路。

Description

以逆变器进行电流转换的装置

技术领域

本发明涉及用于电流转换的装置。

背景技术

由本专利申请的申请人提交的已公开的欧洲专利申请EP2100851A2中公开了一种电源装置，其中所述装置适于并且配置为根据西门子工艺在反应器中沉积硅。为了产生均匀的温度分布，其上沉积有硅的薄硅棒或硅棒被提供具有约50Hz频率的低频电流以及中间频率电流或高频电流。流经所述棒的电流使得所述棒因其欧姆电阻而被加热。如果跨过棒的横截面的电流密度是恒定的，则在棒的横截面的每个位置处提供相同的能量。所述棒可以驱散跨过所述棒的外表面的热量，从而使紧邻所述外表面的所述棒的区域的加热程度低于所述棒的内部区域的加热程度。

虽然低频电流引起跨过所述棒的横截面的相等的电流密度，但是经过所述棒的中间频率或高频电流因公知的集肤效应而在所述棒的外部区域中产生更高的电流密度。由于由中间频率或高频电流通过集肤效应产生的所述棒的外部区域中的更高的电流密度，提供到所述棒的外部区域的能量比提供到所述内部区域的能量更多。通过所述棒的外表面的热量损耗可以由此被补偿。所述外部区域还可以被加热到比所述内部区域更高的温度。

已公开的申请EP 2100851A2公开了连接用于低频电流的电流源装置和用于中间频率电流的电流源装置以便提供电流到硅棒的多种可选方案。然而，该文件未详尽地公开用于中间频率电流的电流源装置的结构的细节。

虽然由AEG Power Solutions B.V.申请的申请号为10150728.3-2207的欧洲专利申请公开了用于中间频率电流的电流源装置的电力配置，但是未公开机械配置。

所述电力配置可以被实施为：

所述装置

-包括用于以2kHz到250kHz之间的频率自DC电流产生AC电流的逆变器，

-包括大电流变压器，其用于将AC电流从初级侧变换到次级侧，其中从大电流变压器的初级侧上的0-700V的额定电压下的300A的额定电流的电流变换到次级侧上的0-100V的额定电压下的0-1500A的额定电流的电流，并且

-包括至少一个电容器，其用于滤波具有小于2kHz的频率的电压，该电压存在于装置的至少一个输出端上，

-其中所述逆变器的输出端的第一终端与所述大电流变压器的初级侧的第一终端连接，并且

-其中所述逆变器的输出端的第二终端与大电流变压器的初级侧的第二终端连接。

所述大电流变压器经由两个分支与所述装置的至少一个输出端连接，

-其中在所述两个分支中的至少一个第一分支中，大电流变压器的次级侧的第一终端与电容器的第一终端连接，并且所述电容器的第二终端至少间接地与第一输出端的第一终端连接，并且

其中在所述两个分支中的至少一个第二分支中，大电流变压器的次级侧的第二终端至少间接地与输出端的第二终端连接。

然而，用于中间频率电流或高频电流的电流源装置的所述机械配置并非没有技术问题，特别是由高频和同时由电流源装置提供的大电流所产生的问题。特别地，技术问题与用于将电流源装置的低频电网（grid）电流转换为所述电流源装置的中间频率或高频输出电流的装置相关联。一个问题是关于集肤效应和邻近效应，该集肤效应和邻近效应影响电流源装置的内部的电流传导，并且虽然硅棒中期望集肤效应和邻近效应，但是在转换器装置中不期望所述集肤效应和邻近效应。与中间频率或高频电流相关联的电磁寄生领域同样是一个问题。允许在机械配置中实施电力配置的方案并非已知的，并且也未被说明和建议。因此，目前为止不能实现向用于生产多晶硅的反应器提供中间频率或高频电流的设想。

这是本发明的基础。

发明内容

本发明解决了设计具有前述电力配置的传统转换器装置从而最小化在大量高频电流从逆变器流动到负载期间的不期望的效应的问题。

该问题通过根据本发明的一种装置而解决，其中：

-初级侧的终端自大电流变压器的第一侧上的大电流变压器引出，而次级侧的终端自大电流变压器的第二侧上的大电流变压器引出，

-所述逆变器被布置在所述大电流变压器的所述第一侧上，而至少一个电容器被布置在所述大电流变压器的第二侧上，并且

-所述大电流变压器的次级侧的至少一个第一终端与至少一个电容器的第一终端直接连接，而无需中间连接的电气线路。

本发明基于一些考虑。首先，所述电力线路应该尽可能短。与高频电流的导电性相关联的效应可以仅通过这种测量而被显著降低。第二，相位导体和中性导体应该在其自本发明的装置的组件引出并且不能避免电力线路的位置处被尽可能紧密地排布（route）。第三，除非不可避免，否则所述终端和电力线路应该具有尽可能最大的表面，从而可获得可行的最大横截面，以便即使具有集肤效应，仍传导电流。

在根据本发明的装置内部以及根据本发明的装置的输出端处的终端以及同样在根据本发明的装置内部的电流流过的电力线路优选为具有外部周长为0-60cm的横截面。有利地，电流流经的横截面的周长与额定电流的比率为0.04cm/A。所述横截面面积可以是1-6cm²。

高频变压器的第一侧和第二侧可以是所述高频变压器的相对侧，例如所述高频变压器的顶部和底部。

优选地，大电流变压器的次级侧上的每个第一终端和一个或更多个电容器的第一终端均具有匹配的孔洞图案，从而使其终端可以与螺钉等电气或机械地互连。

在根据本发明的装置的一个或更多个电容器的第一侧上，所述第一终端可以被引出，而根据本发明的装置的第二终端可以在所述一个或更多个电容器的第二侧上引出。所述一个或更多个电容器的第一侧和第二侧可以是所述一个或更多个电容器的相对侧，例如所述一个或更多个电容器的顶部和底部。

这些电容器中的每一个的第二终端可以与第一开关的第一切换触点直接连接，即不需要中间连接的电力线路。第一开关的第二切换触点可以形成输出端的第一触点。

所述大电流变压器的次级侧的每个第二终端可以经由电力线路与第二开关的第一切换触点连接。所述电力线路可以是金属板，特别是铜板。可替换地并且特别优选地，高频变压器的次级侧的每个第二终端均与第二开关的第一切换触点直接连接，即不需要中间连接的电力线路。第二开关的第二切换触点可以形成输出端的第二终端。

大电流变压器的初级侧的第一终端和大电流变压器的初级侧的第二终端优选为均经由构造为板的相应的线路而分别与逆变器的输出端的第一终端和第二终端连接，其中所述板在中心区域中被至少并行布置，所述中心区域是与初级侧的终端或逆变器的输出端的终端连接的所述板的端部区域之间的区域。所述板的并行区域可以具有在其间的较小间隔。所述间隔优选为尽可能小和/或可容许例如降低所述板之间的放电（arcing）风险。

逆变器的输入端的第一终端和逆变器的输入端的第二终端可以均经由实现为板的电力线路而分别与DC链路电容器的第一终端和第二终端连接。这些板还可以至少在中心区域中被并行布置，所述中心区域是与DC链路电容器的终端或逆变器的输出端的终端连接的板的端部区域之间的区域。所述板的并行区域优选为具有在其间的较小间隔。所述间隔优选为尽可能小和/或可容许例如降低所述板之间的放电风险。

大电流变压器可以是具有变压器铁芯（core）的变压器。构成变压器铁芯的次级侧的具有相反的绕组方向的两个次级绕组可以被布置在变压器铁芯上。所述次级绕组各自可以具有第一终端和第二终端，其中每个次级绕组的第一终端和第二终端构成大电流变压器的次级侧的第一终端和第二终端，之后其一起构成大电流变压器的次级侧的输出端。所述第二终端还可以被组合到公共的第二终端。优选地，在所述装置的操作期间，在次级侧的两个输出端的第一终端之间不产生电压降。

在次级侧上具有两个输出端的变压器的一个实施例中，根据本发明的所述装置优选为具有两个第一分支和一个或两个第二分支。

次级侧的每个输出端的第一终端可以经由第一分支并且所述第二输出端可以经由第二分支分别与所述装置的第一和第二输出端连接，其中所述装置的输出端被串联连接，并且在所述配置的操作期间在所述串联连接两端不产生电压降。

与提供频率在40Hz到70Hz之间的低频AC电流的装置相结合的根据本发明的转换器装置可以是电流源装置的一部分。用于提供低频AC电流的装置可以具有至少一个输出端，该输出端布置为与转换器装置的输出端的串联连接并联，其中提供低频AC电流的装置的输出端的终端与转换器装置的输出端之一的第一终端连接。

所述电流源装置可以用于向反应器提供电力，以用于通过气相沉积产生多晶硅，例如根据Siemens工艺。可连接到电流源装置的负载，特别是可连接到转换器装置的输出端的负载，接着是硅棒或薄硅棒。

用于提供低频电流的装置可以具有变压器，该变压器具有一些次级侧抽头（tap）。除了用于次级侧中性导体的终端以外，所述抽头可以经由AC电流控制器与用于提供低频电流的装置的输出端的第一终端连接。所述输出端的第二终端与次级侧中性导体连接。

所述AC电流控制器可以被控制为电压时序控制。这种控制例如在由G.K.Dubey、S.R.Doradla、A.Joshi和R.M.K.Sinha（ISBN978-0-85226-190-3）所有的名为“Thyristorised Power Controllers”的教科书以及来自本申请人或本申请人加入的公司的各种出版物中公开。

附图说明

现在将参考所附附图对本发明的示例性实施例进行说明，所述附图示出了：

图1以示意图的形式示出了转换器设备的第一部分的配置，

图2以示意图的形式示出了转换器设备的第二部分的第一示例性实施例的配置，

图3以示意图的形式示出了转换器设备的第二部分的第二示例性实施例的配置，以及

图4以示意图的形式示出了转换器设备的第二部分的第三示例性实施例的配置。

具体实施方式

附图中说明的根据本发明的装置的部件的示例性配置示意性地示出所述装置的各个组件的装置及其电连接。未示出所述组件与控制面板或控制面板的部件的机械连接，例如与控制面板的框架的机械连接。

然而，同样未示出的是所述组件的内部配置，该内部配置由相应于所述组件的功能的符号表示。

图1中用参考符号10指示为自三相电网L1、L2、L3接收电流并且对该电流进行整流的整流器。整流器10可以是传统构造的三相整流器，例如B6C电路。所述整流器10的输出端的终端被连接到DC链路电容器30，该DC链路电容器30被接连地顺序布置为垂直于绘制平面，并且彼此以及与整流器的输出端并联电连接。

DC链路电容器30还与逆变器50的输入端并联连接。为此目的，DC链路电容器30的终端和逆变器50的输入端的终端通过电力线路40而彼此连接。在DC链路电容器30的终端和逆变器50的输入端的终端之间的电力线路40被实现为板41，优选为铜板。

由整流器10产生的DC电压主要存在于DC链路中，然而，经过的来自逆变器50的高频AC电压被叠加在DC电压上。高频AC电压被DC链路电容器30短路并且由此不存在于整流器10的输出端。整流器10和DC链路电容器30之间的电气线路20由此不需要被设计用于高频电流，然而，DC链路电容器30和逆变器50的输入端之间的电气线路40必须被设计为用于高频电流。

在DC链路电容器30和转换器50的输入端之间传导电流的两个板41被并行排布并且在其间具有最小可行的间隔。

逆变器50是传统的逆变器，例如单相位全桥逆变器、串联谐振逆变器或脉冲逆变器，并且具有在该逆变器输出端52处存在的高频AC电压。

逆变器50的输出端52被直接连接到变压器60的输入端61，即不需要中间连接的电气线路。所述变压器具有在次级侧上的两个输出端62。一方面，电压和电流可以通过变压器60变换。另一方面，可以在所述输出端提供具有相等的有效电压和相反相位的两个AC电压。这通过具有其中经过相同磁通量的相反的绕组方向（sense）的次级绕组获得。输出端62各自均具有用于相位导体的第一终端621和用于中性导体的第二终端622。第二终端622在变压器60的内部或外部相互连接（未示出）并且在次级侧上形成次级侧两相AC电流系统的中性导体，所述系统在线（strand）电压之间具有180°的相移。两个第一终端621形成两相AC电流系统的相位导体。在两个第一终端621之间不产生电压降，即导体电压为零。

变压器60的输出端62的第一终端621各自均被直接连接到电容器70的第一终端71，即不需要中间连接的电气线路。电容器70的第二终端72经由中间电气线路80（图2）或直接连接到两个第一开关100中的一个的相应的第一触点101，即不需要中间连接的电气线路（图3、图4）。

第一开关100各自均具有第二触点102，其中各自的第二触点构成根据本发明的装置的两个输出端的第一终端。第一开关100的第一触点101和第二触点102可以通过切换而相互电连接。

变压器60的输出端62的第二终端622各自均经由中间电气线路90（图2、图3）或直接连接到第二开关110的相应的第一触点111，即不需要中间连接的电气线路（图4）。

第二开关110具有第二触点112，该第二触点112构成根据本发明的装置的输出端的第二终端。第二开关110的第一触点111和第二触点112还可以通过切换而相互电连接。

Claims (13)

1.一种用于转换电流的装置，包括：

逆变器（50），其用于自DC电流产生具有频率在2kHz到250kHz之间的AC电流，

大电流变压器（60），其用于将AC电流从初级侧变换到次级侧，其中从所述大电流变压器（60）的所述初级侧上的0-700V的额定电压下的300A的额定电流的电流变换到所述次级侧上的0-100V的额定电压下的0-1500A的额定电流的电流，并且

至少一个电容器（70），其用于滤波具有小于2kHz的频率的电压，该电压存在于所述装置的至少一个输出端（102,112）上，

其中所述逆变器（50）的输出端（52）的第一终端与所述大电流变压器（60）的所述初级侧的第一终端连接，

其中所述逆变器的所述输出端（52）的第二终端与所述大电流变压器的所述初级侧的第二终端连接，

其中在至少一个第一分支中，所述大电流变压器（60）的所述次级侧的第一终端（621）与所述电容器（70）的第一终端（71）连接，并且所述电容器（70）的第二终端（72）至少间接地连接所述输出端（102,112）的第一终端（102），并且

其中在至少一个第二分支中，所述大电流变压器（60）的所述次级侧的第二终端（622）至少间接地连接所述输出端（102,112）的第二终端（112），并且

其中在所述大电流变压器（60）的第一侧上，所述初级侧的终端（611,612）自所述大电流变压器（60）引出，并且在所述大电流变压器（60）的次级侧上，所述次级侧的终端（621,622）自所述大电流变压器（60）引出，

其中所述逆变器（50）布置在所述大电流变压器（60）的第一侧上，并且所述至少一个电容器（70）布置在所述大电流变压器（60）的第二侧上，并且

其中所述大电流变压器（60）的所述次级侧的至少一个第一终端（621）直接连接所述至少一个电容器（70）的所述第一终端（71），而无需中间连接的电气线路。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一终端（71）自在所述至少一个电容器（70）的第一侧上的所述至少一个电容器（70）引出，并且所述第二终端（72）自所述至少一个电容器（70）的所述第二侧上的至少一个电容器（70）引出。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个电容器（70）的所述第二终端（72）直接连接第一开关（101,102）的第一切换触点（101），而无需中间连接的电气线路。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一开关（101,102）的第二切换触点（102）构成所述输出端的第一终端。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述大电流变压器（60）的次级侧的第二终端（622）经由电气线路（90）连接第二开关（111,112）的第一切换触点（111）。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述电气线路（90）是板，特别是铜板。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述第二开关（111,112）的第二切换触点（112）构成所述输出端的第二终端。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述大电流变压器（60）的初级侧的第一终端（611）和所述大电流变压器（60）的初级侧的第二终端（612）中的每一个均经由实施为板的电气线路而连接所述逆变器（50）的输出端的相应的第一终端和相应的第二终端，并且

其中所述板至少并行布置在位于所述板的端部区域之间的中心区域中，所述板的端部区域连接所述初级侧的所述终端或所述逆变器的输出端的所述终端。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述逆变器（50）的输入端的第一终端和所述逆变器的所述输入端的第二终端中的每一个均经由构造为板（41）的相应的线路而连接DC链路电容器（30）的相应的第一终端和相应的第二终端，并且

其中所述板（41）至少并行布置在位于所述板的端部区域之间的中心区域中，所述板的端部区域连接所述DC链路电容器（30）的终端或所述逆变器（50）的输入端的终端。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述大电流变压器（60）是具有变压器铁芯和布置在所述变压器铁芯上的两个次级绕组的变压器（60），所述两个次级绕组具有相反的绕组方向，并且所述次级绕组中的每一个具有第一终端和公共的第二终端，其中所述第一终端和第二终端中的一个构成所述变压器（60）的次级侧的输出端（62）的第一终端（621）和第二终端（622），并且其中在所述装置的操作期间，所述输出端（62）的第一终端（621）之间不具有电压降。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述次级侧的每个输出端（62）的第一终端（621）均经由相应的第一分支并且所述第二终端经由至少一个第二分支连接所述装置的相应的第一和第二终端，并且

其中所述装置的输出端被串联连接，并且在所述装置的操作期间，所述串联连接两端不具有电压降。

12.一种具有如权利要求1所述的转换器装置的电流源设备，所述电流源设备还具有用于以40-70Hz之间的频率提供低频AC电流的装置，其具有布置为与所述转换器装置的输出端的所述串联连接并联的至少一个输出端，其中用于提供低频AC电流的所述装置的输出的终端与所述转换器装置的一个输出端的第一终端连接。

13.如权利要求6所述的装置，其中所述第二开关（111,112）的第二切换触点（112）构成所述输出端的第二终端。

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