毛朝斌，陈特超，李 克，林伯奇

(中国电子科技集团公司第四十八研究所国家光伏装备工程技术研究中心，长沙410111)

随着晶体硅电池产业的快速发展，电池片生产厂家为了提高电池片的转换效率，对电池生产设备的要求也不断提高。扩散设备作为生产光伏电池的主要设备，其性能和生产效率尤其受到广大光伏电池生产厂家的关注，电池生产厂家要求提高的方块电阻，提高电池扩散后片内方块电阻和片间方块电阻的均匀性等方面以提高电池的效率及使用寿命。以前采用的是单回路控制炉管加热,通过控制炉壁的温度来达到控制炉膛内的工艺温度，这种方式简单、容易操作，但这种方式工艺回温时间长，炉内温度不精确，抗干扰能力不强，已经不能满足客户对高阻扩散工艺的要求[1][2]。中国电子科技集团公司第四十八研究所研制了一种温度串级控制系统的新型扩散炉。这种温度串级控制方式能很好地弥补这些缺点，达到比较理想的控制效果，在性能方面已经达到国外同类产品的水平，并已经出口到阿联酋等国家的光伏电池生产厂家，客户反映效果良好。

2 温度控制系统

2.1 串级控制原理

串级控制系统一般由主、副两个回路构成，被控量的反馈形成主回路，另外一个对被控量起主要影响的变量选做辅助变量形成副回路。串级控制与单回路的区别在于副回路的给定值不是常量，而是变量，它的变化情况由被控量通过主调节回路自动校正。

扩散炉设备采用电阻炉加热，以五段温区的扩散炉为例，其温度串级控制系统见图1，图中仅画出了一段温区的串级控制系统，其他4个温区控制方式相同。从图中可以看出炉壁处的外热偶（a、b、c、d、e）、PID2、触发电路以及功率部件组成副回路，用来控制炉丝加热电流的大小，而置于炉膛内的内热偶(A、B、C、D、E)将测得的温度与设定值比较后，与PID1、PID2、触发电路以及功率部件一起组成主回路，监控炉膛内恒温区的温度变化。

图1 温度串级控制系统

将图1控制系统原理图画成系统方框图，见图2。再根据方框图2，做出传递函数方框图见图3。

图2 串级控制系统方框图

图3 传递函数方框图

其中：

R1(s)—设定温度的传递函数；

R2(s)—主调节器输出值的传递函数；

GC1(s)、GC2(s)—主、副调节器的传递函数；

Gv(s)—执行机构的传递函数；

G01(s)、G02(s)—主、副控制对象的传递函数；

Gml(s)、Gm2(s)—主、副变送器的传递函数；

Nl(s)、N2(s)—一次干扰和二次干扰的传递函数。

假设副回路中各环节传递函数分别为：

将副回路反馈信号相加点由副调节器之前向后移至副对象之前，经简化，可得出其等效副对象为：

因此，在本控制系统中，等效副对象的时间常数和放大倍数都缩小了，随着副控放大倍数Kc2整定得越大，等效副对象的放大倍数和时间常数缩小得越显著。这相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，这会使系统的响应速度加快，控制更为及时，更有利于提高控制品质和系统可控性[3][4]。

2.2 控制效果分析

由于副回路控制通道环节少，时间常数小，反应灵敏。所以当干扰进入副回路时，串级系统可以获得比单回路系统更快的控制作用，有效的克服电压波动对炉膛温度造成的影响，从而大大提高控制质量。

通过以上直观分析可以看出，使用串级控制系统后，由于引入了副回路，不仅能迅速克服副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调，粗调和快调的作用，主回路具有后调、细调和慢调的作用，对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除，主、副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高，能很好满足设备指标要求。

因此扩散炉引入串级控制后，其优点为：

（1）引入副回路，可改善对象特性，提高温控系统的响应速度，提升控制品质和系统可控性。

（2）串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别是当干扰作用于副环时，系统的抗干扰能力会更强。

（3）能有效地缩短回温时间，减少烦琐的工艺温度校正工作量，单回路控温系统管内工艺回温的温度到达设定值通常需要15 min以上，而温度采用串级控制的管内温度到达设定值的温度可以少于10 min。

3 PID设置

在温度串级控制过程采用分段处理的方式，即把整个温控过程分为三段，分别是升温段、拐点段、恒温段。

升温段为了节约时间和成本，一般是全功率加热，获得最短升温时间。就是说在升温段采用单级PID控制，即副回路不受主回路的影响。此时次回路的检测值PV2与SV相差比较大，一般会100%的输出。如果对升温段的升温速率也有要求（小于最大升温速率），此时一般对副回路的MV2加以限制，即计算输出为100，而实际输出为70（参考数据），从而达到控制升温速度的目的。

拐点段为升温段到恒温段的过渡阶段，也是系统控制的难点，控制效果对恒温段的控制有直接的影响，此时一般要做特殊处理，即根据主、副回路的PV、SV、MV的相互关系对副回路的SV进行限制或修正，进而达到控制副回路MV在所要求的范围内。这样可以限制超调或欠调幅度，还可以缩短恒温段的稳定时间。确定升温段与拐点段的分割点，控制方式发生变化，由单级PID转换为串级PID。

恒温段为长时间保持温度在固定值的阶段，受拐点段效果影响。该段主要保证 a、b、c、d、e这五段温区相互之间的温差在额定的范围内，消除温区相互影响的关键不仅仅依赖PID本身的调节功能，因此还需要合理硬件本身构造保证。

4 工艺试验结果及分析

图4、图5是扩散炉连续正常生产一个月后，新旧系统电池片的方块电阻均匀性的大致对比（4-1-3管是串级系统，4-1-2管、4-1-4管是单回路系统），其中图4为整管电池片不均匀性的比较，图5为单片电池内不均匀性的比较。从两图的比较可以看出串级控制系统的整管方块电阻不均匀性比单回路控制方式的方块电阻的不均性的波动明显要低，而串级控制系统的单片片内不均匀性也要优于单回路控制方式的方块电阻。

图4 整管电池片不均匀性比较

图5 单片电池内不均匀性比较

表1 温度串级控制扩散工艺测试数据

表1为温度串级控制扩散工艺在方块电阻为60Ω的测试数据，可以看出，温度串级控制扩散炉的片内、片间、批间均匀性都达到了国际先进、国内领先水平。

5 结 论

串级温度控制系统为闭环反馈控制，使炉管内实际温度与设定温度一致，提高温度控制的响应时间，有效消除由于温度波动引起的扩散工艺不稳定，为晶体硅电池高阻提供了更精确的温度保证。

[1]向小龙，禹庆荣，文庚云，等.光伏行业扩散炉的技术现状及发展趋势[J].太阳能，2007(11)：32-33.

[2]刘良玉，彭志坚.软着陆洁净闭管扩散炉研制[J].电子工业专用设备，2010，181：39-42.

[3]Ruono P.J.，Fleming P.Jones，Connectionist approach PID autotming，IEEE PROCEEDINGS，Vol.139，1992(3).

[4]龙占勇，邓斌，罗心蕾.LTCC专用烧结设备温度串级控制系统的实现[J]，2010，180:41-44.