JP2010011729A - 柱状の半導体材料を伝導加熱するために電気エネルギーを変換する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術に指摘される欠点を持たない多相回路装置を提供する。
【解決手段】供給電源に接続された三相一次巻線２と、３つの二次巻線３、４、５と、前記二次巻線３、４、５と加熱される半導体材料８とから成る３つの加熱回路から成る三相整流装置９において、当該装置のトランスのこれら３つの二次巻線３、４、５はそれぞれ２つより多くの電圧タップ６とこれら電圧タップ６に直列接続された電力制御器とを有しており、前記電圧タップ６は、トランスとは逆の側で、スイッチング素子７に直接電気的に接続されており、前記３つの加熱回路は負荷抵抗８によって熱エネルギーを個別に制御するために星形結線で接続されており、前記制御器の電力コンポーネントは体積を最適化するために場所的に三相トランスに接して配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は柱状の半導体材料を伝導加熱するために電気エネルギーを変換する装置に関するものであり、この装置は以下ではコンパクト電源と呼ばれる。

コンパクト電源は工業分野においても手工業分野においても広く普及している。コンパクト電源では、トランス、制御技術、整流器、及びその他の構成要素は、所要面積が最小化され、接続もできるだけ短くなるように配置される。

コンパクト電源は、例えばコンピュータシステム、機械制御もしくは工業制御のスイッチング技術において電流供給のために直流及び交流電圧領域で使用される。コンパクト電源は工業設備では１桁台のワット領域においてもメガワット領域においても使用される。

コンパクト電源は、柱状のポリシリコンを伝導加熱するために電気エネルギーを変換する場合に特に適している。

半導体材料の比抵抗は激しく低下する温度係数を有している。ここで、問題となるのは、電源は加熱材料が冷えているときには高い出力電圧（ボルト）を、加熱材料が高温のときには大きな電流（アンペア）を供給しなければならないことである（図２）。

電流電圧特性曲線は例示的に直線であると仮定してよい。これはたいてい数１００ｋＷから数メガワットまでの高い熱エネルギーによる加熱の場合である。大電力のため、９７％を超える高い効率でしか経済活動は不可能である。電気負荷の活動が電圧供給源の安定性と形態に影響を与える場合、この大電力で問題なのはいわゆる電源フィードバックの効果である。

電源フィードバックをできるだけ小さく抑えるためには、大電力の場合、電流高調波成分と遅れ無効電力を小さくしなければならない。さらに、電源歪みを防ぐためには、供給電源から対称に三相で熱エネルギーを取り出さなければならない。この場合、一次電源電圧はたいてい大したものではなく、通常は３ｋＶから４００ｋＶの間である。

半導体材料を冷却ガス流の中で加熱する際の別の特殊性は、抵抗が温度に従って急激に変化することである。この特性ゆえに、無効な休止時間を含まない、又は非常に短い無効休止時間しか含まない、熱エネルギーの迅速な電力制御が必要となる。

コンパクト電源の機械的に最適な構造はまた大電流コンポーネントの経済的な配置にとっても大きな意味をもつ。

工業分野では、上記課題はトランスの電圧タップごとに独立した電力制御器を持つトランスから成るエネルギー変換装置により解決されている。

特許文献１には、単相の回路装置が記載されており、この回路装置は、補助的に、可制御スイッチング手段（例えば、サイリスタ）を部分的に低い絶縁耐力で使用できるようにする（この刊行物のスイッチング手段２０，２１を参照）補助スイッチ"Ｓ"を必要とする。この刊行物では、相互に接続された回路装置（４）とトランス（Ｔ）が記載されている。しかし、設備全体の空間的配置については検討されていない。同様に、電気的特性と機械的特性の組合せについても述べられていない。

この装置の欠点は、十分な絶縁耐力を持つスイッチング素子（すべての種類の半導体素子）を使用するならば無くてもよい補助的な回路装置"Ｓ"が必要とされることである。十分な絶縁耐力を持つスイッチング素子を使用すれば、回路は、したがってまた設計も、著しく簡素化されるだろう。

特許文献２にも、同様に、激しく変化する負荷に給電する単相回路装置が記載されている。ここでも、回路装置は単相のトランス／制御器複合装置である。この回路装置は、激しく変化する２つの負荷を最初は並列に、次に直列に接続することに関係している。しかし、この刊行物でも、設計及び電気的特性については検討されていない。この回路装置の欠点は、並列／直列の切換により、負荷の切換の瞬間に不所望な無効休止時間（＞２０ｍｓ）が生じてしまうことである。

従来技術として記載した装置はすべて単相である。これらの装置を三相として実施するための追加コストは大きく、経済的でない。

実用新案DE 20200501033 U1 実用新案DE 202004004655 U1

したがって、本発明の課題は、従来技術で指摘された欠点を持たない多相回路装置を提供することである。

上記課題は、柱状の半導体材料を伝導加熱するために、印加された電源電圧を有する電気エネルギーをプロセスに依存した可変の電気エネルギーに変換する三相整流装置であって、供給電源に接続された三相一次巻線と、３つの二次巻線と、前記二次巻線と加熱される半導体材料とから成る３つの加熱回路から成る三相整流装置において、当該装置のトランスのこれら３つの二次巻線はそれぞれ２つより多くの電圧タップとこれら電圧タップに直列接続された電力制御器とを有しており、前記電圧タップは、トランスとは逆の側で、スイッチング素子に直接電気的に接続されており、前記３つの加熱回路は負荷抵抗によって熱エネルギーを個別に制御するために星形結線で接続されており、前記制御器の電力コンポーネントは体積を最適化するために場所的に三相トランスに接して配置されていることを特徴とする三相整流装置により解決される。

本発明による三相整流装置の１つの実施形態を示す。 三相整流装置の電流電圧特性曲線を示す。

三相交流装置のトランスの三相一次巻線は供給電源に接続される。通常、端子電圧は３ｋＶから４００ｋＶ、有利には３×１０ｋＶである。

トランスの３つの二次巻線（３，４，５）はそれぞれ２つより多くの電圧タップを有している。電圧タップの個数は好ましくは３〜１０個、特に好ましくは４〜６個である。二次巻線のタップの位置はそれぞれ所望の電流電圧特性曲線（図２）を考慮して電源フィードバックが最適化されるように用途ごとに決定される。

二次巻線の各電圧タップは直列に接続された電力分配器（７）を有している。各相ごとの電力分配器の個数は電圧タップの個数に等しい。

電力分配器は実質的に逆平行に配置された駆動電子ユニット付きの標準パワーサイリスタから成っている。しかし、他のスイッチングパワー半導体、例えば任意のサイリスタないしトランジスタも考えられる。

電圧タップは、トランスとは逆の側で、電力制御器付きのスイッチング素子に直接電気的に接続されるのが好ましい。

電力制御器の制御遅れ角は互いに別々に設定することができ、半導体バー（８）を加熱するために必要な連続的な電圧調整を担う。

パワー半導体を駆動する制御電子ユニットは高エネルギー領域内に配置してもよいし、アクセスを良くするために高エネルギー領域外に配置してもよい。

この回路構成（トランスのタップにより制御器の出力電圧が多重に重ね合わされる）により、０．８７〜１の高い力率が保証される。

柱状半導体ごとの熱エネルギーは本発明の装置によりほぼ間隙なしに調整することができる。最大の間隙は正弦半波の持続時間である。

星形結線（９）は電流が３つの負荷抵抗により別個に制御されるように配慮する。

有利な実施形態では、上で述べた星形結線の代わりに、二次巻線と加熱される半導体材料とから成る３つの加熱回路を同様に絶縁して３つの個別の電流フィードバック（各相ごとの）により実施してもよい。

制御電子ユニットとパワー素子の通信は光学的なデータ接続によって行ってもよいし、非光学的なデータ接続によって行ってもよい。本発明の回路装置によれば、半導体材料の伝導加熱のために電気エネルギーを変換する非常に省スペースな装置が実現される。よって、このような回路装置を製造及び動作させれば、現在工業分野で使用されている既知の装置に比べて、コストとスペースを節約することができる。

本発明による装置を用いれば、上記した負荷及び調整の範囲において、初めて体積＜１３ｍ³の変換装置を形成することができる。

以下では、例に基づき、本発明をより詳しく説明する。

例１：
３つの一次巻線が供給電源に接続された、図１に類似した三相回路装置を形成した。３つの二次巻線（３，４，５）にはそれぞれ５つの電圧タップ（６）を設けた。二次巻線の各電圧タップは直列に接続された電力分配器（７）を有している。電力分配器は逆平行に配置された駆動電子ユニット付きの標準パワーサイリスタから成っている。

この装置は０〜５ＭＶＡの可制御な出力電力範囲を有する。三相交流装置は、負荷が対称ならば、対称な電源フィードバックを発生させる。

三相整流装置の改善された体積はおよそ１３ｍ³となる。定格効率は＞９７％である。装置稼働時には、エネルギーが恒常的に半導体材料内に入る。

最大出力電流範囲は３×０〜４０００Ａであり、各相は別個に制御可能である。最大出力電圧範囲（Ｕａ）は３×５０〜３０００Ｖである。

Claims (9)

1. 柱状の半導体材料を伝導加熱するために、印加された電源電圧を有する電気エネルギーをプロセスに依存した可変の電気エネルギーに変換する三相整流装置であって、
   当該装置は、
   （Ａ）供給電源に接続された三相一次巻線と、
   （Ｂ）３つの二次巻線と、
   （Ｃ）前記二次巻線と加熱される半導体材料とから成る３つの加熱回路とから成り、
   当該装置のトランスの前記３つの二次巻線はそれぞれ２つより多くの電圧タップと当該電圧タップに直列接続された電力制御器とを有しており、前記加熱回路は負荷抵抗によって熱エネルギーを個別に制御するために星形結線で接続されており、前記制御器の電力コンポーネントは体積を最適化するために場所的に三相トランスに接して配置されている、ことを特徴とする三相整流装置。
2. 前記二次巻線のタップの位置は所望の電流電圧特性曲線を考慮して電源フィードバックが最適化されるように用途ごとに決定されている、請求項１記載の三相整流装置。
3. 前記電力制御器は逆平行に配置された駆動電子ユニット付きの標準パワーサイリスタから成る、請求項１又は２記載の三相整流装置。
4. 前記電圧タップは、前記トランスとは逆の側で、直接的にスイッチング素子と電気的に接続されている、請求項１から３のいずれか１項記載の三相整流装置。
5. 前記電力制御器の制御遅れ角は互いに別々に設定され、半導体バーを加熱するために必要な連続的な電圧調整を担う、請求項１又は４記載の三相整流装置。
6. パワー半導体を駆動する制御電子ユニットは高エネルギー領域又は高エネルギー領域外に配置されている、請求項１から５のいずれか１項記載の三相整流装置。
7. 前記二次巻線と加熱される半導体材料とから成る前記した３つの加熱回路は、星形結線によってではなく、絶縁して各相ごとに別個の電流フィードバックにより実施されている、請求項１記載の三相整流装置。
8. 柱状半導体ごとに熱エネルギーが間断なく供給される、請求項１から７のいずれか１項記載の三相整流装置。
9. １３ｍ³未満の改善された体積を有する、請求項１から８のいずれか１項記載の三相整流装置。

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