專利名稱：用于操作工業(yè)過程的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種用于操作等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發(fā)裝置的方法。
背景技術：
為了產生交流功率，特別是高頻功率，對于諸如感應加熱或等離子激發(fā)或氣體激光器的激發(fā)之類的エ業(yè)過程，具有放大管的交流功率產生設備仍然被經常用于高功率水平。其原因尤其在于，放大管相對于快速負載變化的魯棒特性。然而，這樣的具有放大管的交流電カ產生設備具有低水平的效率，并且放大管受到損耗。因此，已經越來越多地嘗試使用利用半導體開關元件運行的設備來替代這些交流功率產生設備。這些半導體開關元件例如可以是晶體管。利用當前可獲得的晶體管能夠產生高達每個晶體管大約500W的功率水平。然而，需要的是幾千瓦到兆瓦的水平。為了產生這樣的功率水平，必須將多個晶體管連接在一起以形成安裝在功率變換器単元內的晶體管模塊。此外，必須將多個功率變換器單元連接在一起以形成交流功率產生設備。由此，交流功率產生設備中晶體管的數量按每千瓦需要至少兩個晶體管這樣的方式來増加。因而，對于個體晶體管的可靠性的需要呈指數増加，因為每個出故障的晶體管都可以導致整個交流功率產生設備停機。在エ業(yè)過程中，交流功率產生設備經常以脈沖方式工作，有時具有從每秒到幾微秒的差別很大的脈沖頻率。這些晶體管經常以大于3MHz的高頻工作。對輸出功率的調制也是エ業(yè)過程中已知的方法。在該情況下，例如，在感應加熱過程中，當エ件已經達到特定溫度并且然后僅打算維持或輕微改變該溫度吋，改變輸出功率。當利用激光處理工件時，例如，當變更將要處理的エ件吋，功率變換器必須度過相當長的不需求功率的停機時間或待機時間。諸如晶體管、IGBT、MOSFET或由此構成的晶體管模塊之類的并且以高水平的電流工作并且作為結果以便產生高水平的功率(例如，大于100W)的半導體開關元件經常具有過早出故障的傾向，特別是當這些半導體開關元件在脈沖功率變化的情況下進行工作的時候。這通過兩個現象來特別地解釋首先，是半導體開關元件(例如襯底、半導體層、鍵合線)中所使用材料的不同的熱膨脹系數。即使以均勻方式將半導體開關元件的所有部件都加熱 到一定溫度，材料的不同熱膨脹也會導致內部機械張力，該內部機械張カ隨著時間并且與由于溫度變化的膨脹運動一起導致了破損和故障。其次，是不同的溫度分布，特別是具有被密集冷卻的部件。當使用半導體開關元件產生大于100W的功率時，通常不可缺少地要以強制方式冷卻半導體開關元件，即，例如借助于利用強制空氣流動的冷卻部件或借助于液體冷卻。在該示例中，產生了溫度梯度，例如從半導體開關元件的半導體層到冷卻板。這意味著，由于不同的溫度分布而將附加的負載也加到了上述的負載上。在該示例中，在半導體開關元件的區(qū)域還仍然不存在均勻的溫度分布，這也導致產生了機械張力。當存在溫度波動時半導體開關元件出故障。在功率產生操作期間，半導體開關元件變熱，并且上述現象出現。然而，在兩個功率操作階段之間，存在冷卻，這導致進ー步的機械張力。因此，在功率操作與兩個功率操作間的中斷之間的恒定變化不斷地導致與溫度相關的機械張カ和運動。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于在脈沖功率輸出操作中使用半導體開關元件來操作等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發(fā)裝置的方法，意在使該半導體開關元件的壽命被延長。該目的是通過一種用于在脈沖功率輸出操作中操作等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發(fā)裝置的方法來實現的，在功率輸出時間段AT1產生第一功率P-u，并將第一功率P-u在功率發(fā)生器的功率輸出端釋放，該功率發(fā)生器用于將功率供應給等離子過程、感應加熱過程或激光激發(fā)過程，并且通過控制功率發(fā)生器的至少ー個半導體開關元件在脈沖中斷時間段A T2，在功率發(fā)生器的功率輸出端不輸出適于等離子過程、感應過程或激光激發(fā)過程的觸發(fā)或操作的功率PottU，在產生第一功率P-u的同時，在功率輸出時間段AT1期間，在該至少一個半導體開關元件中產生第一功耗Pvi，并且在脈沖中斷時間段AT2期間， 在該至少一個半導體開關元件中產生第二功耗PV2，并且產生的功耗PV1、Pv2被轉換成熱量，借助對半導體開關元件的適當控制，防止了半導體開關元件的溫度下降超過預定值，并且功率輸出操作和脈沖中斷操作持續(xù)交替進行。因此，當不提供功率時，或者當輸出端提供如此低水平的功率以致不能激起等離子過程或不能操作等離子過程、感應加熱過程或激光激發(fā)過程時，半導體開關元件中的功耗總是存在刻意的増加。以常規(guī)方式，當產生第一功率時，半導體開關元件中的第一功耗將被轉換成熱量。如果假設效率水平不變，則當產生第二的更低功率時，成比例的低功耗被轉換成熱量。當不產生功率時這是特別嚴重的。根據常規(guī)方法，在該情況下，沒有功耗被轉換成熱量，并且半導體開關元件冷卻。在下一次功率例如増加到第一功率期間，它將再次升溫。這導致歸因于機械熱膨脹張カ對半導體開關元件的破壞性負載。利用在該示例中描述的方法，在半導體開關元件中，可以以選擇性的方式增加在脈沖中斷時間段期間產生的功耗以及作為結果而產生的熱量。因此，在功率變化之間的溫度差別減小了，并且對敏感的半導體開關元件具有較不嚴重的影響。該方法與效率最大化以及功耗最小化的目標相抵觸。然而，該方法給予了更大的優(yōu)點，因為已經發(fā)現半導體開關元件的故障率的減小比起功耗的進一歩減小更加方便用戶的并且更加節(jié)省成本。通過做出進ー步嘗試以減少第一功耗Pvi，朝著減小功耗的目的采取附加的有成效的步驟也是可能的。半導體開關元件可以是晶體管，例如IGBT或MOSFET或帶有控制輸入端的ニ極管，能夠使它們從導通狀態(tài)進入截止狀態(tài)?？蛇x地，也可以使它們至少暫時地進入部分導通狀態(tài)。在脈沖中斷期間，當Pa^1等于0瓦時，優(yōu)選地也產生大于0的第二功耗Pv2，并且將第二功耗Pv2轉換成半導體開關元件中的熱量?？梢酝ㄟ^來自控制電路的控制信號來控制ー個半導體開關元件或多個半導體開關元件。根據本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點能夠在脈沖功率輸出操作時操作エ業(yè)過程，在第一時間范圍期間從輸出端需求特定功率水平，并且在第二時間范圍期間實際上不需求功率，該第二時間范圍即當要處理的エ件(例如在等離子、晶圓、光盤、FPD等的情況下)、要加熱的エ件(例如在感應加熱操作的情況下)或金屬板(例如在激光的情況下)被改變或受到另ー處理的時候。該第一范圍和該第二范圍不斷重復。不必以固定的頻率或固定的脈沖中斷來執(zhí)行該重復，而是可以通過控制系統(tǒng)來預計該重復。使用根據本發(fā)明的方法，可以減小特別敏感部件上的溫度波動。特別地，可以防止敏感部件在脈沖中斷期間被過分冷卻，該脈沖中斷期間即不需要輸出功率的那些時間期間。首先且最主要的不是不超過特定的最大溫度的問題，相反地是在脈沖中斷時間段期間減小特別敏感部件上的溫度下降的問題。然而，在ー些エ業(yè)過程中，可能有利的是，以由等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發(fā)裝置預先確定的頻率fp來交替功率輸出時間段和脈沖中斷時間段。原則上，根據本發(fā)明的方法可以被用于被供應有交流功率的エ業(yè)過程，以及被供應有直流功率的エ業(yè)過程兩者。如果エ業(yè)過程需要交流功率，則有利的是，在功率輸出時間段期間，以頻率fn來產生交流功率，其中fn>fp。在功率輸出時間段期間相應地供應交流功率。在布置有半導體開關元件的功率發(fā)生器的輸出端，相應地輸出脈沖式交流功率。在該示例中，頻率fp可以在0. OlHz到50kHz的范圍內?？梢岳玫谝还β蔖ottU的預定值或測量值來建立第一功耗Pvi，可以基于所建立 的第一功耗Pvi來確定將要調整的第二功耗PV2，并且可以控制該至少一個半導體開關元件來產生第二功耗PV2。因此，不必測量第一功耗PV1。其將會非常復雜并且將必須被非?？斓販y量，也就是說，還要在半導體開關元件的附近?？梢允褂每刂瓢雽w開關元件的控制電路來確定PV1?？刂齐娐房梢员慌渲脼楫斔邮盏接糜诘谝还β蔖-u的預定期望值時，調整第一功率。它可以被配置為確定相關聯的功耗PV1。為此，它可以例如訪問數據表或依據公式來計算功耗Pvi或根據存儲的函數來確定功耗PV1。對于第二預定功率Pa1I1，可以依據規(guī)則PvAPv^(PottU)使用控制電路來確定第二功耗Pv2，并且可以相應地控制半導體開關元件，即以如此的方式產生Pv2和Ptm2T控制電路可以訪問所有的信息以便調整PV1，即使不具有必須被測量的與Pv2相關的變量。該方法的區(qū)別在于，通過與從數據存儲器中讀取的第一功率Pa^1相關聯的值來確定第一功耗PV1。控制電路的區(qū)別在于，其處理數字信號或數字和模擬信號、處理數據或進行計算，并且由此產生控制半導體開關元件的控制信號?？梢愿鶕旅嬷抵械囊粋€或多個來調整第二功耗Pv2 -功率輸出時間段的持續(xù)時間-脈沖中斷時間段的持續(xù)時間-功率隨時間的變化(progressionin time)-半導體開關元件中的功耗隨時間的變化-建立的溫度或溫度曲線-建立的電壓值或電壓曲線-建立的電流值或電流曲線-交流功率曲線、半導體開關元件中的功耗、溫度曲線、電壓曲線或電流曲線的時間導數。對于第二功耗Pv2的調整，可以考慮，例如，環(huán)境溫度(例如是殼體內部的、交流功率產生設備內的)、冷卻設備(例如冷卻板或冷卻介質)的溫度、或者半導體開關元件的溫度。作為半導體開關元件的溫度，可以使用緊鄰處的溫度(即例如直接在半導體開關元件上的溫度)或者預定距離處的溫度(即，例如半導體開關元件的殼體上的溫度)?？梢詼y量這些溫度，并且這些溫度也可以與第一時間范圍或第二時間范圍的持續(xù)時間相結合來用于第二功耗Pv2的調整。在已調制信號的情況下，功率(特別是交流功率)隨時間的變化、半導體開關元件上的或功率變換器單元輸出端處的特定電壓隨時間的變化、或者例如流過半導體開關元件的電流隨時間的變化，這些都可以被考慮用于第二功耗Pv2的調整。所有提到的數據都可以被存儲在存儲器中，控制電路能夠訪問該存儲器以確定第二功耗PV2。可以以循環(huán)的方式將該數據存儲在環(huán)存儲器(ring store)中，并且可以在特定數據量后重寫該數據。然后控制電路可以總是訪問最新的數據，這在調整第二功耗Pv2時是非常重要的。所有這些值都可以單獨使用，或者相互組合地使用，或者與之前提到的用于P-u、Pout2.!的值組合使用，或者以加權組合的方式使用，或者與用于評估的它們的時間導數組合使用。第二功耗Pv2的大小可以與第一功耗Pvi的大小相同。這是通常追求的情況，因為可以然后假定在半導體開關元件內根本不存在溫差。第二功耗Pv2的大小可以等于第一功耗Pvi ±50%或第一功耗Pvi ±30%或第一功耗PV1±20%。為了實現Pv2=Pvi的目標，有時必須要付出巨大的努力。因此，在某些情況下對調整設置更大的限制是有利的。這也可以根據環(huán)境溫度或冷卻介質的溫度來做出，因為當絕對溫度更高時，在相同的溫度變化的情況下，對應半導體開關元件的故障風險可能更高?？刂瓢雽w開關元件使得第二功耗Pv2大于第一功耗Pvi不是真正有利的，這是因為關于可靠性沒有建立優(yōu)勢，并且以不利的方式產生了更大的功耗。然而，如果這是在特定的限制內被執(zhí)行并且(由于不精確)同時為了在確定功耗時做出較少努力，這仍然可能是更有利的。根據該方法的變型，可以提出，在功率輸出時間段AT1期間控制至少ー個半導體開關元件幾次進入具有開關電阻Rm的導通狀態(tài)和具有截止電阻Rtjff的截止狀態(tài)，并且在脈沖中斷時間段AT2期間將該至少ー個半導體開關元件至少暫時性地切換到具有過渡電阻Rv的部分導通狀態(tài)，這些電阻由以下給出Rm〈Rv，并且RZRtjff。常規(guī)地，努力將半導體開關元件在導通狀態(tài)和不導通狀態(tài)之間來回切換(如果可能)，并且努力保持位于其間的部分導通狀態(tài)盡可能地短，并且努力確保半導體開關元件中產生最小可能量的功耗，這是因為，當Rm非常小時，在半導體開關元件上僅降低非常小的電壓并且功耗將是低的，而當Rtjff非常大時，則僅小電流將流過半導體開關元件并且功耗也將是低的。然而，為了獲得適當的功耗，如本方法所描述的，可能有利的是，有意使半導體開關元件至少暫時地進入并且保持部分導通狀態(tài)。在該狀態(tài)下，當電流I或電壓U已知時，并且相應地調整電阻Rv，以致調整功耗PV2=U2/Rv或PV2=I2*Rv，就可以非常精確地調整功耗了。根據該方法的變型，可以提出，在脈沖中斷時間段AT2期間控制至少ー個半導體開關元件，使得第二功率Pom等于零，并且第一功耗Pvi和第二功耗Pv2之間相差不超過2倍(the factor of two)。這表明，在典型應用中在無可非議的復雜性與充分減小半導體開關元件出故障的風險之間的非常好的折衷。可以進一歩提出的是，在功率輸出時間段AT1期間將至少ー個半導體開關元件控制為，在接通時間范圍A Tml進入導通狀態(tài)，而在關斷時間范圍A Irffl進入截止狀態(tài)，并且在脈沖中斷時間段AT2期間將該至少ー個半導體開關元件控制為，在接通時間范圍ATm2進入導通狀態(tài)，在關斷時間范圍A Tt5ff2進入截止狀態(tài)，其中A Tm2小于ATml?？梢詫Tm2 選擇得如此小，以致半導體開關元件確實引導電流但在輸出端不產生功率。這在技術上是可能的，因為，當接通許多半導體開關元件時，必須首先在半導體層內重新分布電荷載子，例如，在電流在半導體開關元件的輸出端變得明顯之前，或者在電流導致輸出端處的電壓變化之前。該電流可以在半導體開關元件內帶來功耗。這可以被用來調整PV2。然而，也可以將ATm2選擇地更長，但仍然如此小，以致以該方式產生的短功率脈沖不被允許在后面的輸出電路(例如濾波器元件)中的半導體開關元件的輸出端通過，或者該短功率脈沖被大幅度地衰減。如果短脈沖ATm2不足以產生期望的功耗Pv2，則可以以預定或可變的頻率產生多個這樣的脈沖?？梢蕴岢?，通過控制至少ー個附加的半導體開關元件，在功率輸出時間段AT1期間產生附加的第一功率POTT1.2，以及在脈沖中斷時間段AT2期間產生附加的第二功率P0UT2. 2 o可以均在它們自己的功率變換器単元中產生第一功率和附加的第一功率。由多個功率變換器單元產生的功率可以被耦合在一起以形成輸出功率。該輸出功率可以被供應給后面的過程。這樣的方法具有幾個優(yōu)點。首先，可以實現更高的輸出功率，特別是在功率變換器単元中不僅產生兩個還產生附加功率并將它們都連接在一起的時候。然而，尤其是在該示例下可靠性是極其重要的，由于ー個半導體開關元件的故障可能導致整個功率產生設備的故障。此外，這樣的方法提供了如下的優(yōu)點例如，控制半導體開關元件，使得它 們產生更低的輸出功率(例如，Pott2IPo^2),并且同時產生未被減小到相同程度的功耗(例如PV2)，這就以相對少量的部件實現了本發(fā)明的目的。這是起作用的，因為可以以用于產生更低輸出功率的如此方式控制兩個半導體開關元件，以使得它們彼此間相互加載。此外，經由功率I禹合器連接在一起提供了相對于反射功率(reflected power)的增大的失效電阻(malfunction resistance),并且由此附加地保護半導體開關元件。可以分別根據它們自己的控制流程來控制該至少ー個半導體開關元件和該至少一個附加的半導體開關元件，這些控制程序是不同的。特別地，這些控制程序在功率P-u和Poti.2的產生期間可以是相同的，而在功率Pott2. !和Pott2.2的產生期間可以是不同的。因此，可以利用相同的控制流程來實現特別低損耗的對稱控制，而可以利用不同的控制流程來實現有意包含更大損耗的非對稱控制。可能的控制流程例如可以是脈寬控制、相移或頻率變化。該方法的區(qū)別在干，當產生功率P.u和Pott,2時，根據另ー個第一控制流程來控制半導體開關元件，當產生功率？_」和POT2.2時，根據附加的第二控制流程來控制半導體開關元件，這些控制程序是不同的。因此，附加的第一控制流程可以是產生特別低水平的損耗的控制流程，而附加的第二控制流程可以在半導體開關元件中產生特定的且可控的損耗。在該示例中，可能的控制流程例如也可以是脈寬控制、相移或頻率變化。該方法的區(qū)別在于，調整第一功率P.u與第一附加功率POTT1.2之間的第一相位關系，并且調整第二功率Pam與第二附加功率POTT2.2之間的第二相位關系，第二相位關系與第一相位關系不同。利用這樣的方法，可以用特別精確并且可準確再現的方式產生第二功耗PV2。盡管關于開發(fā)和校準它需要相當大的復雜性，但可以以非常通用并且可靠的方式來使用它?？梢酝ㄟ^測量手段來檢測與第一功率P.u相關的變量，并將該變量調整到期望值。該變量例如可以是功率變換器的輸出功率、輸出電壓或輸出電流。為了評估是否應當使用根據本發(fā)明的方法，特別是是否應當有意地產生功耗，可以使用下面的值中的一個值和/或下面的值中多個值的組合-功率輸出時間段AT1的持續(xù)時間
-脈沖中斷時間段AT2的持續(xù)時間-功率隨時間的變化-半導體開關元件中的功耗隨時間的變化-建立的溫度或溫度曲線-建立的電壓值或電壓曲線-建立的電流值或電流曲線-功率曲線、半導體開關元件中的功耗、溫度曲線、電壓曲線或電流曲線的時間導數。該流程被看作是ー個獨立的發(fā)明。因此，例如利用非常短的脈沖中斷或非常小的功率變化，使用根據本發(fā)明的有意產生功耗的方法并不是有利的，但是根據特定的閾值，當脈沖 中斷因此超過特定長度或功率變化超過特定閾值時，使用該方法就肯定是有利的了。根據參考附圖對本發(fā)明的實施例的以下描述以及根據權利要求，將認識到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，該附圖示出了對本發(fā)明來說是很重要的細節(jié)很重要。不是g在必然認為在該示例中示出的各特征是按比例的，而用這樣的方式對這些特征進行舉例說明使得根據本發(fā)明的這些特征能夠更加清楚明顯?？梢栽诒景l(fā)明的變型中，単獨地實施各個特征，或者以任意組合的方式一起實施各個特征。


在示意性附圖中舉例說明了本發(fā)明的實施例，并且在以下的說明中更詳細地解釋了本發(fā)明的實施例。在附圖中圖I示出了ー種交流功率產生設備；圖2示出了ー種具有兩個功率變換器単元的交流功率產生設備；圖3示出了ー種具有兩個全橋功率變換器単元和3dB 90°混合耦合器的交流功率產生設備；圖4示出了ー種具有兩個半橋的交流功率產生設備；圖5a是對脈沖操作中的功率曲線的示意性舉例說明；圖5b是對調制操作中的功率曲線的示意性舉例說明；圖6是ー種具有兩個E類逆變器的交流功率產生設備；圖7a、圖7b和圖8a、圖8b示出了在脈沖功率輸出操作中交流功率的產生隨時間的變化。
具體實施例方式圖I示出了ー種交流功率產生設備5，其可以是高頻功率產生設備。該交流功率產生設備5具有功率變換器単元7，在功率變換器単元7中布置了至少ー個半導體開關元件
9。這里利用用于三種頻繁使用的半導體開關元件(MOSFET、IGBT、SCR)的三種不同的符號來表示該半導體開關元件9，g在以這樣的方式來被人理解在該示例中包括了以不同方式連接的所有可能的半導體開關元件。該功率變換器単元7例如可以具有半橋、或全橋、E類逆變器或D類逆變器?？梢杂美鋮s設備17來冷卻半導體開關元件9。例如，該冷卻設備17可以是將熱釋放到空氣或液體冷卻介質的冷卻部件。通過控制電路11來控制半導體開關元件9。將產生的功率(在該示例中是交流功率，特別是高頻功率)供應給交流功率產生設備5的輸出端14。可以在各個點測量溫度。第一溫度傳感器18可以測量交流功率產生設備5的殼體內部的環(huán)境 溫度，第二溫度傳感器19可以測量冷卻設備17處的溫度，第三溫度傳感器20可以測量半導體開關元件9處的溫度。也可以建立功率、電壓和電流，在該示例中是利用測量傳感器21指示的?？梢栽诮涣鞴β十a生設備5的輸出端14，或在功率變換器単元7的輸出端，或在半導體開關元件9之ー處執(zhí)行對這些電變量的測量。控制電路11具有能夠影響控制電路11的監(jiān)控電路15以便產生用于控制半導體開關元件9的適當的控制信號。產生該控制信號以便以選擇性方式來影響ー個或多個半導體開關元件的功耗。以這樣的方式進行操作，以使得在例如輸出端14處的第一功率產生和輸出時，半導體開關元件9中的第一功耗Pvi被轉換成了熱量。在例如輸出端14處的比第一功率產生和輸出小的第二功率產生和輸出的情況下，第二功耗Pto被轉換成了半導體開關元件9中的熱量，其中PV2>PV1* (P0UT2.!/Poutl J，Pout2. I優(yōu)選在OW的范圍。利用這樣的布置或這樣的方法，可以保護該至少一個半導體開關元件9不受由于頻率和/或高溫的變化而造成的過早損壞。同吋，由于功耗僅被增加到解決該問題所需的程度，所以這樣的布置是節(jié)能的。如果利用對應的措施或設備可以進ー步減少第一功耗Pvi，則可以相應地進行調整該控制，以便也相應地減少第二功耗。例如，可以預先確定期望值22來用于控制電路11，以便控制或調整輸出端14處的輸出功率。監(jiān)控電路15可以具有數字數據處理設備33，該數字數據處理設備33具有數據存儲器34和程序存儲器35，用于根據第一交流功率Potiti. !建立第一功耗Pvi。監(jiān)控電路15不必為了建立第二功耗Pv2而使用測量技術來建立第一功耗，但是可以替代使用數據處理設備33、數據存儲器34和程序存儲器35來快速并且可靠地從所存儲的數據庫來建立第一功耗，并且影響控制電路11以便產生用于第二功耗Pv2的產生的控制信號。以精妙的方式，將許多任務都轉移給數據處理設備33以便生成功耗Pv2和必要的控制信號，因為數據處理設備33可以根據計算的復雜性而在預定的時間內進行處理。它也可以接管對在校準處理時或在操作期間生成的數據進行的存儲、加載和處理。重新調整功耗所必需的速度尤其取決于部件的大小、溫度傳導性和冷卻。利用通常在大于IkW的功率范圍內使用的部件，從IOOy s到IOOms的反應時間足夠保護該部件不受到損壞。因此對于這些任務，可以使用具有中等速度的數據處理設備，或也承擔其它控制任務的數據處理設備。圖2示出了具有兩個功率變換器単元7、8的交流功率產生設備5。第二功率變換器単元8也具有至少ー個半導體開關元件10、冷卻設備27和溫度傳感器25、26。功率變換器単元8也可以具有，例如，半橋或全橋、E類逆變器或D類逆變器。功率變換器単元7、8的輸出功率被供應給功率耦合器12。該功率耦合器12例如可以是功率耦合器(傳輸線耦合器)、威爾金森耦合器(Wilkinson耦合器)或90°混合耦合器(例如3dB耦合器)。然而，也可以使用耦合兩個功率的其他耦合技木。90°混合耦合器所具有的優(yōu)點是，其基于兩個輸入信號的相位位置來耦合該兩個輸入信號，并且以基于相位的方式供應兩個不同的輸出。因此可以通過改變兩個功率變換器7、8的輸出信號(對應于耦合器12的輸入信號)的相位位置，來保持半導體開關元件9、10中的功耗對應于耦合器輸出端的各種輸出功率都幾乎是恒定的，通過半導體開關元件9、10產生的恒定的輸出和功耗，但利用改變的相位位置，以便在耦合器12的(功率)輸出端產生不同的功率。供應給耦合器12的其它輸出端的功率可以被變換成直流功率，并且可以再次設置交流功率產生設備5作為輸入功率。也可以將編譯電路(compilation circuit) 13連接到功率稱合器12。其可以例如是阻抗轉變設備或濾波器或過壓保護設備。此外，可以設置另ー個測量設備21，另ー個測量設備21例如是定向耦合器。其可以被用來建立輸出端14處的輸出功率(例如正向功率和反向功率)或者用來建立電流、電壓以及電流與電壓之間的相位，并且由此來建立輸出端14處的阻杭。也可以在功率變換器単元7、8的內部執(zhí)行對電壓和/或電流的測量，特別是在半導體開關元件9、10處執(zhí)行。可以將產生的測量信號供應給控制電路11。所使用的功率變換器単元7、8的半導體開關元件9、10可以適于在可預先確定的時間被帶入部分導通狀態(tài)。使用這樣的設備，可以通過控制電路以簡單且精確的方式使半導體開關元件達到期望的功耗水平，即使是在不能以簡單的方式調整部分導通狀態(tài)的電阻 的情況下。為了產生隨著時間以均勻方式分布的熱損耗，可以在短時間段內使半導體開關元件幾次進入部分導通狀態(tài)。與其相關的數據可以存儲在監(jiān)控電路15的數據存儲器34中。功率變換器単元7、8的半導體開關元件9、10可以適于被帶入部分導通狀態(tài)，在該部分導通狀態(tài)中它們具有電阻Rv，可以通過控制電路11預先確定該電阻Rv。使用這樣的設備，可以由控制電路以簡單且精確的方式使半導體開關元件達到期望的功耗水平，即使是在不能以簡單的方式調整部分導通狀態(tài)的持續(xù)時間的情況下。與其相關的數據可以存儲在監(jiān)控電路15的數據存儲器34內。功率變換器単元7、8的半導體開關元件9、10可以適于被從截止狀態(tài)帶入這樣ー種狀態(tài)，在該狀態(tài)下，它們繼續(xù)具有截止屬性，并且同時功耗被轉換成熱量。這在技術上是可能的，因為很多半導體開關元件9、10在被控制從截止狀態(tài)進入導通狀態(tài)時需要一定程度的時間來用于內部電荷載子的重新分布。在該時間期間，它們保持在截止狀態(tài)。然而，電荷載子的重新分布在半導體開關元件9、10內產生了功耗。使用這樣的設備，可以由控制電路以簡單且精確的方式使半導體開關元件9、10達到期望的功耗水平。與這些屬性相關的數據可以存儲在監(jiān)控電路15的數據存儲器34內。功率變換器単元7、8的半導體開關元件9、10可以適于被從導通狀態(tài)帶入這樣ー種狀態(tài)，在該狀態(tài)下，它們繼續(xù)具有導通屬性，并且同時功耗被轉換成熱量。這在技術上是可能的，因為很多半導體開關元件9、10在被控制從導通狀態(tài)進入截止狀態(tài)時需要一定程度的時間來用于內部電荷載子的重新分布。在該時間期間，它們保持在導通狀態(tài)。然而，電荷載子的重新分布在半導體開關元件9、10內產生了功耗。使用這樣的設備，可以由控制電路以簡單且精確的方式使半導體開關元件9、10達到期望的功耗水平。與這些屬性相關的數據可以存儲在監(jiān)控電路15的數據存儲器34內。功率變換器單元7、8的半導體開關元件9、10至少在時間段ATon內是能夠進入導通狀態(tài)的，該時間段ATon短于由交流功率產生設備產生的頻率的周期持續(xù)時間的四分之一。使用這樣的設備，可以由控制電路以簡單且精確的方式使半導體開關元件9、10達到期望的功耗水平。與其相關的數據可以存儲在監(jiān)控電路15的數據存儲器34內。圖3示出了交流功率產生設備5，在該示例中，高頻功率產生設備具有兩個分別被構成全橋的功率變換器単元7、8。與上文已經描述過的元件相對應的元件都被給予相同的附圖標記，并且不再進行描述。功率耦合器12是3dB 90°混合耦合器，并且補償電阻器24連接到功率耦合器12的第二輸出端。此外，在該示例中還示出了作為交流功率產生設備5的一部分的直流電源設備6a、6b。直流電源設備6a、6b當然也可以被自然地組合以形成供應功率變換器単元7、8兩者的公共直流電源設備6。它們也可以位于在交流功率產生設備5外部。圖4示出了另ー交流功率產生設備5，在該示例中，高頻功率產生設備也具有兩個分別被構成為半橋的功率變換器単元7、8。與上文已經描述過的元件相對應的元件都被給予相同的附圖標記，并且不再進行描述。功率耦合器12被配置成具有耦合電感和中央抽 頭29的變壓器裝置。中央抽頭29被連接到兩個補償元件30、31之間的連接點32，兩個補償元件30、31被連接到直流電源6。在該示例中，也可以通過改變兩個功率變換器単元7、8中的控制流程來改變輸出功率，并且同時，可以根據本發(fā)明來控制半導體開關元件9a、9b、10a、10b中的功耗。因此，半導體開關元件9a、9b的控制信號的相位相對于半導體開關元件IOaUOb的控制信號的相位的改變引起輸出端14處的輸出功率的改變。如果高功率水平要想到達輸出端14，就要控制半導體開關元件以致電流經由半導體開關元件9a、10b并且隨后經由9b、10a，這樣以交替方式流動。如果更低功率水平要想到達輸出端14，就要改變控制的相位以致電流經由半導體開關元件9a、10b井隨后經由9a、10a、隨后經由9b、10a井隨后經由9b、10b、然后再次經由9a、10b，這樣以循環(huán)的方式流動。在本示例中，可以優(yōu)選使用這種被稱為相移法的控制流程利用具有適當大小的功率耦合器12和補償元件30、31與控制信號一起，來控制半導體開關元件9a、9b、10a、IOb的功耗。為了產生功耗，必須維持流過半導體開關元件9a、IOa和9b、IOb的電流，即使是在電流分別流過9a、IOa或9b、IOb的時候。在不具有補償元件30、31的情況下，功率耦合器12中所包含的電感中的電流會迅速減少，并且將無法控制半導體開關元件9a、IOa和9b、IOb的功耗。通過功率耦合器12與補償元件30、31的連接，可以維持該電流。補償元件30、31例如可以是具有特定容量的電容器，并且至少在理論上不會在其中產生功耗，這對能量消耗具有積極的影響。圖5a和圖5b示出了交流功率與功耗的產生隨時間的典型變化。在每種情況下，上面的信號曲線I示意性地示出了交流功率信號的值，其是在交流頻率上求平均值得到的，如可以在功率變換器単元7、8的輸出端或在交流功率產生設備5的輸出端測量得到的。在功率輸出時間段AT1期間，產生第一(交流)功率Pain，在脈沖中斷時間段AT2期間，產生第ニ(交流)功率Pot2或不產生功率，其中Potti大于POT2。同時，在該至少一個半導體開關元件中，在功率輸出時間段AT1期間產生第一功耗Pvi，在脈沖中斷時間段AT2期間產生第二功耗Pv2，這可以在每種情況下下面的曲線，即信號曲線2和3中看到。信號曲線2示意性地示出了在根據本發(fā)明的設備和方法中，在交流功率產生設備5的操作期間功耗信號可以如何延伸。用虛線畫出的信號曲線3示意性地示出了根據常規(guī)方法，功耗信號將如何延伸。圖6示出了另ー交流功率產生設備5，其具有兩個分別被構成為E類逆變器的功率變換器単元7、8。與上文已經描述過的元件相對應的元件都被給予相同的附圖標記，并且不再進行描述。E類逆變器簡化了控制電路11，這是因為所有的控制信號都與地電位有夫。圖7a和圖7b以及圖8a、圖8b示出了交流功率的產生隨時間的典型變化。圖7a中相應上面的信號曲線52和圖8a中相應上面的信號曲線57分別示意性地示出了在交流頻率上求平均值得到的交流功率信號的值，如可以在功率變換器単元7、8的輸出端或在交流功率產生設備5的輸出端測量得到的。圖7b中相應下面的信號曲線54和圖Sb中相應下面的信號曲線59分別示意性地示出了本實施例中周期性變化的交流功率，其具有頻率fp和周期Tp=l/fp,具有比脈沖周期Tp=l/fp更大的基頻fn。在本示例中，基頻是由交流功率供電的エ業(yè)過程預先確定的。諸如エ業(yè)等離子或氣體激光器的激發(fā)或者感應加熱過程的供應之類的高頻應用都在一定頻率下工作，該一定頻率是由用戶根據該過程預先確定的。頻率fp也可以由該過程預先確定?？梢栽诠β瘦敵鰰r間段AT1期間產生第一交流功率P-u，在脈沖中斷時間段A T256期間產生第二交流功率或不產生功率。在這兩個時間段的每個時間段中，均產生功耗Pv。Tp不恒定但功率輸出時間段AT1和脈沖中斷時間段AT2簡單地交替的過程也是可想到的。輸出功率Pott也不必須是交流功率，而也可以是 直流功率。
權利要求
1.一種用于在脈沖功率輸出操作中對等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發(fā)裝置進行操作的方法，在功率輸出時間段AT1內產生第一功率PotjtU,并且將所述第一功率Pojti.I在功率發(fā)生器的功率輸出端處釋放，以將功率供應給等離子過程、感應加熱過程或激光激發(fā)過程，并且通過控制所述功率發(fā)生器的至少ー個半導體開關元件(9)，在脈沖中斷時間段AT2內在所述功率發(fā)生器的所述功率輸出端不輸出適于等離子過程、感應過程或激光激發(fā)過程的觸發(fā)或操作的功率PottU，在所述功率輸出時間段AT1期間在產生所述第一功率P-u的同時在所述至少一個半導體開關元件(9)中產生第一功耗Pvi，在所述脈沖中斷時間段AT2期間在所述至少一個半導體開關元件(9)中產生第二功耗Pv2，并且將產生的所述功耗PV1、Pv2轉換成熱量，通過對所述半導體開關元件的適當控制，防止了所述半導體開關元件(9)的溫度下降超過預定值，并且所述功率輸出操作和所述脈沖中斷操作持續(xù)交替。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述功率輸出時間段和所述脈沖中斷時間段以由所述等離子裝置、所述感應加熱裝置或所述激光激發(fā)裝置預先確定的頻率fp來交替。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述功率輸出時間段期間，以頻率fn產生交流功率，其中fn>fp。
4.根據權利要求2或權利要求3所述的方法，其特征在于，fp在0.OlHz到50kHz的范圍內。
5.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，根據所述第一功率P-u的預定值或測量值來建立所述第一功耗Pvi，基于建立的所述第一功耗Pvi來確定要被調整的所述第二功耗PV2，并且控制所述至少一個半導體開關元件(9)以產生所述第二功耗PV2。
6.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，通過與從數據存儲器(34)讀取的所述功率PoUTi. I相關聯的值來確定所述第一功耗PVi。
7.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，基于下面的值中的一個或多個值來調整所述第二功耗Pv2 -所述功率輸出時間段AT1的持續(xù)時間 -所述脈沖中斷時間段AT2的持續(xù)時間 -所述功率隨時間的變化 -所述半導體開關元件中的所述功耗隨時間的變化 -所建立的溫度或溫度曲線 -所建立的電壓值或電壓曲線 -所建立的電流值或電流曲線 -所述功率的曲線的時間導數、所述半導體開關元件中的所述功耗的時間導數、所述溫度曲線的時間導數、所述電壓曲線的時間導數或所述電流曲線的時間導數。
8.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，所述第二功耗Pv2的大小與所述第一功耗Pvi的大小相同。
9.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，在所述功率輸出時間段AT1期間控制所述至少一個半導體開關元件(9、10)幾次進入導通狀態(tài)和截止狀態(tài)，在所述導通狀態(tài)，所述至少一個半導體開關元件(9、10)具有開關電阻Rm，在所述截止狀態(tài)，所述至少一個半導體開關元件(9、10)具有截止電阻Rtjff，并且在所述脈沖中斷時間段AT2期間，將所述至少一個半導體開關元件至少暫時性地切換到部分導通狀態(tài)，在所述部分導通狀態(tài)，所述至少一個半導體開關元件(9、10)具有過渡電阻Rv，通過Rm〈Rv以及R/Rf來給定所述電阻。
10.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，在所述脈沖中斷時間段AT2期間控制所述至少一個半導體開關元件(9)以使得所述第二功率Pott2.,等于零，并且所述第一功耗Pvi與所述第二功耗Pv2相差不超過2倍。
11.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，在所述功率輸出時間段AT1期間，控制所述至少一個半導體開關元件(9)使得所述至少一個半導體開關元件(9)在接通時間范圍A Tml進入導通狀態(tài)，并且在關斷時間范圍A Ttjffl進入截止狀態(tài)，并且其特征還在于，在所述脈沖中斷時間段AT2期間控制所述至少一個半導體開關元件，使得所述至少一個半導體開關元件在接通時間范圍A Tm2進入導通狀態(tài)，并且在關斷時間范圍A Tt5ff2進入截止狀態(tài)，并且其中，A Trai2小于ATml。
12.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，通過控制至少ー個附加的半導體開關元件(10 )，在所述功率輸出時間段A T1期間產生附加的功率P_. 2，并且在所述脈沖中斷時間段AT2期間產生附加的功率Ptm2.2。
13.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，所述至少一個半導體開關元件(9)和所述至少一個附加的半導體開關元件(10)是分別根據它們自己的控制流程來控制的，所述控制流程是不同的。
14.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，當產生所述功率P-u和所述功率POT1.2W，根據另ー個第一控制流程來控制所述半導體開關元件(9、10)，并且當產生所述功率P_.i和所述功率P_.2時，根據附加的第二控制流程來控制所述半導體開關元件(9、10 )，所述控制流程是不同的。
15.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，調整所述第一功率P.u與所述第一附加功率Pot,2之間的第一相位關系，并且調整所述第二功率PotU與所述第二附加功率POT2.2之間的第二相位關系，所述第二相位關系與所述第一相位關系不同。
16.根據任意ー個前述權利要求所述的方法，其特征在于，通過測量裝置來檢測與所述第一功率PottU相關的功率，并且將與所述第一功率PottU相關的所述功率調整到期望值。
17.一種用于產生功率，特別是高頻功率的方法，為了評估是否應當使用根據任意ー個前述權利要求所述的方法，使用下面的值中的一個值和/或下面的值中的多個值的組合 -所述功率輸出時間段AT1的持續(xù)時間 -所述脈沖中斷時間段AT2的持續(xù)時間 -所述功率隨時間的變化 -所述半導體開關元件中的所述功耗隨時間的變化 -所建立的溫度或溫度曲線 -所建立的電壓值或電壓曲線 -所建立的電流值或電流曲線 -所述功率的曲線的時間導數、所述半導體開關元件中的所述功耗的時間導數、所述溫度曲線的時間導數、所述電壓曲線的時間導數或所述電流曲線的時間導數。
全文摘要
一種用于在脈沖功率輸出操作中對等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發(fā)裝置進行操作的方法，在功率輸出時間段ΔT1內產生第一功率POUT1.1，并且將第一功率POUT1.1在功率發(fā)生器的功率輸出端釋放以用于將功率供應給等離子過程、感應加熱過程或激光激發(fā)過程，并且通過控制功率發(fā)生器的至少一個半導體開關元件(9)，在脈沖中斷時間段ΔT2內在功率發(fā)生器的功率輸出端不輸出適于等離子過程、感應過程或激光激發(fā)過程的觸發(fā)或操作的功率POUT2.1，在功率輸出時間段ΔT1期間在產生第一功率POUT1.1的同時在至少一個半導體開關元件(9)中產生第一功耗PV1，在脈沖中斷時間段ΔT2期間在至少一個半導體開關元件(9)中產生第二功耗PV2，并且將所產生的功耗PV1、PV2轉換成熱量，通過對半導體開關元件的適當控制，防止了半導體開關元件的溫度下降超過預定值，并且功率輸出操作和脈沖中斷操作持續(xù)交替進行。
文檔編號H02M1/32GK102656661SQ201080057477
公開日2012年9月5日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權日2009年12月18日
發(fā)明者C·托默, M·格呂克 申請人:許廷格電子兩合公司