CN102656661A - 用于操作工业过程的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在脉冲功率输出操作中对等离子装置、感应加热装置或激光激发装置进行操作的方法，在功率输出时间段ΔT₁内产生第一功率P_OUT1.1，并且将第一功率P_OUT1.1在功率发生器的功率输出端释放以用于将功率供应给等离子过程、感应加热过程或激光激发过程，并且通过控制功率发生器的至少一个半导体开关元件（9），在脉冲中断时间段ΔT₂内在功率发生器的功率输出端不输出适于等离子过程、感应过程或激光激发过程的触发或操作的功率P_OUT2.1，在功率输出时间段ΔT₁期间在产生第一功率P_OUT1.1的同时在至少一个半导体开关元件（9）中产生第一功耗P_V1，在脉冲中断时间段ΔT₂期间在至少一个半导体开关元件（9）中产生第二功耗P_V2，并且将所产生的功耗P_V1、P_V2转换成热量，通过对半导体开关元件的适当控制，防止了半导体开关元件的温度下降超过预定值，并且功率输出操作和脉冲中断操作持续交替进行。

Description

用于操作工业过程的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作等离子装置、感应加热装置或激光激发装置的方法。

背景技术

为了产生交流功率，特别是高频功率，对于诸如感应加热或等离子激发或气体激光器的激发之类的工业过程，具有放大管的交流功率产生设备仍然被经常用于高功率水平。其原因尤其在于，放大管相对于快速负载变化的鲁棒特性。然而，这样的具有放大管的交流电力产生设备具有低水平的效率，并且放大管受到损耗。因此，已经越来越多地尝试使用利用半导体开关元件运行的设备来替代这些交流功率产生设备。这些半导体开关元件例如可以是晶体管。利用当前可获得的晶体管能够产生高达每个晶体管大约500W的功率水平。然而，需要的是几千瓦到兆瓦的水平。为了产生这样的功率水平，必须将多个晶体管连接在一起以形成安装在功率变换器单元内的晶体管模块。此外，必须将多个功率变换器单元连接在一起以形成交流功率产生设备。由此，交流功率产生设备中晶体管的数量按每千瓦需要至少两个晶体管这样的方式来增加。因而，对于个体晶体管的可靠性的需要呈指数增加，因为每个出故障的晶体管都可以导致整个交流功率产生设备停机。在工业过程中，交流功率产生设备经常以脉冲方式工作，有时具有从每秒到几微秒的差别很大的脉冲频率。这些晶体管经常以大于3MHz的高频工作。对输出功率的调制也是工业过程中已知的方法。在该情况下，例如，在感应加热过程中，当工件已经达到特定温度并且然后仅打算维持或轻微改变该温度时，改变输出功率。当利用激光处理工件时，例如，当变更将要处理的工件时，功率变换器必须度过相当长的不需求功率的停机时间或待机时间。

诸如晶体管、IGBT、MOSFET或由此构成的晶体管模块之类的并且以高水平的电流工作并且作为结果以便产生高水平的功率（例如，大于100W）的半导体开关元件经常具有过早出故障的倾向，特别是当这些半导体开关元件在脉冲功率变化的情况下进行工作的时候。这通过两个现象来特别地解释：首先，是半导体开关元件（例如衬底、半导体层、键合线）中所使用材料的不同的热膨胀系数。即使以均匀方式将半导体开关元件的所有部件都加热到一定温度，材料的不同热膨胀也会导致内部机械张力，该内部机械张力随着时间并且与由于温度变化的膨胀运动一起导致了破损和故障。其次，是不同的温度分布，特别是具有被密集冷却的部件。当使用半导体开关元件产生大于100W的功率时，通常不可缺少地要以强制方式冷却半导体开关元件，即，例如借助于利用强制空气流动的冷却部件或借助于液体冷却。在该示例中，产生了温度梯度，例如从半导体开关元件的半导体层到冷却板。这意味着，由于不同的温度分布而将附加的负载也加到了上述的负载上。在该示例中，在半导体开关元件的区域还仍然不存在均匀的温度分布，这也导致产生了机械张力。

当存在温度波动时半导体开关元件出故障。在功率产生操作期间，半导体开关元件变热，并且上述现象出现。然而，在两个功率操作阶段之间，存在冷却，这导致进一步的机械张力。因此，在功率操作与两个功率操作间的中断之间的恒定变化不断地导致与温度相关的机械张力和运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在脉冲功率输出操作中使用半导体开关元件来操作等离子装置、感应加热装置或激光激发装置的方法，意在使该半导体开关元件的寿命被延长。

该目的是通过一种用于在脉冲功率输出操作中操作等离子装置、感应加热装置或激光激发装置的方法来实现的，在功率输出时间段ΔT₁产生第一功率P_OUT1.1，并将第一功率P_OUT1.1在功率发生器的功率输出端释放，该功率发生器用于将功率供应给等离子过程、感应加热过程或激光激发过程，并且通过控制功率发生器的至少一个半导体开关元件在脉冲中断时间段ΔT₂，在功率发生器的功率输出端不输出适于等离子过程、感应过程或激光激发过程的触发或操作的功率P_OUT2.1，在产生第一功率P_OUT1.1的同时，在功率输出时间段ΔT₁期间，在该至少一个半导体开关元件中产生第一功耗P_V1，并且在脉冲中断时间段ΔT₂期间，在该至少一个半导体开关元件中产生第二功耗P_V2，并且产生的功耗P_V1、P_V2被转换成热量，借助对半导体开关元件的适当控制，防止了半导体开关元件的温度下降超过预定值，并且功率输出操作和脉冲中断操作持续交替进行。

因此，当不提供功率时，或者当输出端提供如此低水平的功率以致不能激起等离子过程或不能操作等离子过程、感应加热过程或激光激发过程时，半导体开关元件中的功耗总是存在刻意的增加。以常规方式，当产生第一功率时，半导体开关元件中的第一功耗将被转换成热量。如果假设效率水平不变，则当产生第二的更低功率时，成比例的低功耗被转换成热量。当不产生功率时这是特别严重的。根据常规方法，在该情况下，没有功耗被转换成热量，并且半导体开关元件冷却。在下一次功率例如增加到第一功率期间，它将再次升温。这导致归因于机械热膨胀张力对半导体开关元件的破坏性负载。利用在该示例中描述的方法，在半导体开关元件中，可以以选择性的方式增加在脉冲中断时间段期间产生的功耗以及作为结果而产生的热量。因此，在功率变化之间的温度差别减小了，并且对敏感的半导体开关元件具有较不严重的影响。该方法与效率最大化以及功耗最小化的目标相抵触。然而，该方法给予了更大的优点，因为已经发现半导体开关元件的故障率的减小比起功耗的进一步减小更加方便用户的并且更加节省成本。通过做出进一步尝试以减少第一功耗P_V1，朝着减小功耗的目的采取附加的有成效的步骤也是可能的。半导体开关元件可以是晶体管，例如IGBT或MOSFET或带有控制输入端的二极管，能够使它们从导通状态进入截止状态。可选地，也可以使它们至少暂时地进入部分导通状态。

在脉冲中断期间，当P_OUT2.1等于0瓦时，优选地也产生大于0的第二功耗P_V2，并且将第二功耗P_V2转换成半导体开关元件中的热量。

可以通过来自控制电路的控制信号来控制一个半导体开关元件或多个半导体开关元件。

根据本发明的方法具有以下优点：能够在脉冲功率输出操作时操作工业过程，在第一时间范围期间从输出端需求特定功率水平，并且在第二时间范围期间实际上不需求功率，该第二时间范围即当要处理的工件（例如在等离子、晶圆、光盘、FPD等的情况下）、要加热的工件（例如在感应加热操作的情况下）或金属板（例如在激光的情况下）被改变或受到另一处理的时候。该第一范围和该第二范围不断重复。不必以固定的频率或固定的脉冲中断来执行该重复，而是可以通过控制系统来预计该重复。使用根据本发明的方法，可以减小特别敏感部件上的温度波动。特别地，可以防止敏感部件在脉冲中断期间被过分冷却，该脉冲中断期间即不需要输出功率的那些时间期间。首先且最主要的不是不超过特定的最大温度的问题，相反地是在脉冲中断时间段期间减小特别敏感部件上的温度下降的问题。

然而，在一些工业过程中，可能有利的是，以由等离子装置、感应加热装置或激光激发装置预先确定的频率fp来交替功率输出时间段和脉冲中断时间段。

原则上，根据本发明的方法可以被用于被供应有交流功率的工业过程，以及被供应有直流功率的工业过程两者。如果工业过程需要交流功率，则有利的是，在功率输出时间段期间，以频率fn来产生交流功率，其中fn>fp。在功率输出时间段期间相应地供应交流功率。在布置有半导体开关元件的功率发生器的输出端，相应地输出脉冲式交流功率。

在该示例中，频率fp可以在0.01Hz到50kHz的范围内。

可以利用第一功率P_OUT1.1的预定值或测量值来建立第一功耗P_V1，可以基于所建立的第一功耗P_V1来确定将要调整的第二功耗P_V2，并且可以控制该至少一个半导体开关元件来产生第二功耗P_V2。因此，不必测量第一功耗P_V1。其将会非常复杂并且将必须被非常快地测量，也就是说，还要在半导体开关元件的附近。可以使用控制半导体开关元件的控制电路来确定P_V1。控制电路可以被配置为当它接收到用于第一功率P_OUT1.1的预定期望值时，调整第一功率。它可以被配置为确定相关联的功耗P_V1。为此，它可以例如访问数据表或依据公式来计算功耗P_V1或根据存储的函数来确定功耗P_V1。对于第二预定功率P_OUT2.1，可以依据规则P_V2>P_V1*(P_OUT2.1)使用控制电路来确定第二功耗P_V2，并且可以相应地控制半导体开关元件，即以如此的方式产生P_V2和P_OUT2.1。控制电路可以访问所有的信息以便调整P_V1，即使不具有必须被测量的与P_V2相关的变量。

该方法的区别在于，通过与从数据存储器中读取的第一功率P_OUT1.1相关联的值来确定第一功耗P_V1。控制电路的区别在于，其处理数字信号或数字和模拟信号、处理数据或进行计算，并且由此产生控制半导体开关元件的控制信号。

可以根据下面值中的一个或多个来调整第二功耗P_V2：

-功率输出时间段的持续时间

-脉冲中断时间段的持续时间

-功率随时间的变化（progression in time）

-半导体开关元件中的功耗随时间的变化

-建立的温度或温度曲线

-建立的电压值或电压曲线

-建立的电流值或电流曲线

-交流功率曲线、半导体开关元件中的功耗、温度曲线、电压曲线或电流曲线的时间导数。

对于第二功耗P_V2的调整，可以考虑，例如，环境温度（例如是壳体内部的、交流功率产生设备内的）、冷却设备（例如冷却板或冷却介质）的温度、或者半导体开关元件的温度。作为半导体开关元件的温度，可以使用紧邻处的温度（即例如直接在半导体开关元件上的温度）或者预定距离处的温度（即，例如半导体开关元件的壳体上的温度）。可以测量这些温度，并且这些温度也可以与第一时间范围或第二时间范围的持续时间相结合来用于第二功耗P_V2的调整。在已调制信号的情况下，功率（特别是交流功率）随时间的变化、半导体开关元件上的或功率变换器单元输出端处的特定电压随时间的变化、或者例如流过半导体开关元件的电流随时间的变化，这些都可以被考虑用于第二功耗P_V2的调整。所有提到的数据都可以被存储在存储器中，控制电路能够访问该存储器以确定第二功耗P_V2。可以以循环的方式将该数据存储在环存储器（ring store）中，并且可以在特定数据量后重写该数据。然后控制电路可以总是访问最新的数据，这在调整第二功耗P_V2时是非常重要的。所有这些值都可以单独使用，或者相互组合地使用，或者与之前提到的用于P_OUT1.1、P_OUT2.1的值组合使用，或者以加权组合的方式使用，或者与用于评估的它们的时间导数组合使用。

第二功耗P_V2的大小可以与第一功耗P_V1的大小相同。这是通常追求的情况，因为可以然后假定在半导体开关元件内根本不存在温差。

第二功耗P_V2的大小可以等于第一功耗P_V1±50%或第一功耗P_V1±30%或第一功耗P_V1±20%。为了实现P_V2=P_V1的目标，有时必须要付出巨大的努力。因此，在某些情况下对调整设置更大的限制是有利的。这也可以根据环境温度或冷却介质的温度来做出，因为当绝对温度更高时，在相同的温度变化的情况下，对应半导体开关元件的故障风险可能更高。控制半导体开关元件使得第二功耗P_V2大于第一功耗P_V1不是真正有利的，这是因为关于可靠性没有建立优势，并且以不利的方式产生了更大的功耗。然而，如果这是在特定的限制内被执行并且（由于不精确）同时为了在确定功耗时做出较少努力，这仍然可能是更有利的。

根据该方法的变型，可以提出，在功率输出时间段ΔT₁期间控制至少一个半导体开关元件几次进入具有开关电阻R_on的导通状态和具有截止电阻R_off的截止状态，并且在脉冲中断时间段ΔT₂期间将该至少一个半导体开关元件至少暂时性地切换到具有过渡电阻R_v的部分导通状态，这些电阻由以下给出：R_on<R_v，并且R_v<R_off。常规地，努力将半导体开关元件在导通状态和不导通状态之间来回切换（如果可能），并且努力保持位于其间的部分导通状态尽可能地短，并且努力确保半导体开关元件中产生最小可能量的功耗，这是因为，当R_on非常小时，在半导体开关元件上仅降低非常小的电压并且功耗将是低的，而当R_off非常大时，则仅小电流将流过半导体开关元件并且功耗也将是低的。然而，为了获得适当的功耗，如本方法所描述的，可能有利的是，有意使半导体开关元件至少暂时地进入并且保持部分导通状态。在该状态下，当电流I或电压U已知时，并且相应地调整电阻R_v，以致调整功耗P_V2=U²/R_v或P_V2=I²*R_v，就可以非常精确地调整功耗了。

根据该方法的变型，可以提出，在脉冲中断时间段ΔT₂期间控制至少一个半导体开关元件，使得第二功率P_OUT2.1等于零，并且第一功耗P_V1和第二功耗P_V2之间相差不超过2倍（the factor of two）。这表明，在典型应用中在无可非议的复杂性与充分减小半导体开关元件出故障的风险之间的非常好的折衷。

可以进一步提出的是，在功率输出时间段ΔT₁期间将至少一个半导体开关元件控制为，在接通时间范围ΔT_on1进入导通状态，而在关断时间范围ΔT_off1进入截止状态，并且在脉冲中断时间段ΔT₂期间将该至少一个半导体开关元件控制为，在接通时间范围ΔT_on2进入导通状态，在关断时间范围ΔT_off2进入截止状态，其中ΔT_on2小于ΔT_on1。可以将ΔT_on2选择得如此小，以致半导体开关元件确实引导电流但在输出端不产生功率。这在技术上是可能的，因为，当接通许多半导体开关元件时，必须首先在半导体层内重新分布电荷载子，例如，在电流在半导体开关元件的输出端变得明显之前，或者在电流导致输出端处的电压变化之前。该电流可以在半导体开关元件内带来功耗。这可以被用来调整P_V2。然而，也可以将ΔT_on2选择地更长，但仍然如此小，以致以该方式产生的短功率脉冲不被允许在后面的输出电路（例如滤波器元件）中的半导体开关元件的输出端通过，或者该短功率脉冲被大幅度地衰减。如果短脉冲ΔT_on2不足以产生期望的功耗P_V2，则可以以预定或可变的频率产生多个这样的脉冲。

可以提出，通过控制至少一个附加的半导体开关元件，在功率输出时间段ΔT₁期间产生附加的第一功率P_OUT1.2，以及在脉冲中断时间段ΔT₂期间产生附加的第二功率P_OUT2.2。可以均在它们自己的功率变换器单元中产生第一功率和附加的第一功率。由多个功率变换器单元产生的功率可以被耦合在一起以形成输出功率。该输出功率可以被供应给后面的过程。这样的方法具有几个优点。首先，可以实现更高的输出功率，特别是在功率变换器单元中不仅产生两个还产生附加功率并将它们都连接在一起的时候。然而，尤其是在该示例下可靠性是极其重要的，由于一个半导体开关元件的故障可能导致整个功率产生设备的故障。此外，这样的方法提供了如下的优点：例如，控制半导体开关元件，使得它们产生更低的输出功率（例如，P_OUT2.1、P_OUT2.2），并且同时产生未被减小到相同程度的功耗（例如P_V2），这就以相对少量的部件实现了本发明的目的。这是起作用的，因为可以以用于产生更低输出功率的如此方式控制两个半导体开关元件，以使得它们彼此间相互加载。此外，经由功率耦合器连接在一起提供了相对于反射功率(reflected power)的增大的失效电阻（malfunction resistance），并且由此附加地保护半导体开关元件。

可以分别根据它们自己的控制流程来控制该至少一个半导体开关元件和该至少一个附加的半导体开关元件，这些控制程序是不同的。特别地，这些控制程序在功率P_OUT1.1和P_OUT1.2的产生期间可以是相同的，而在功率P_OUT2.1和P_OUT2.2的产生期间可以是不同的。因此，可以利用相同的控制流程来实现特别低损耗的对称控制，而可以利用不同的控制流程来实现有意包含更大损耗的非对称控制。可能的控制流程例如可以是脉宽控制、相移或频率变化。

该方法的区别在于，当产生功率P_OUT1.1和P_OUT1.2时，根据另一个第一控制流程来控制半导体开关元件，当产生功率P_OUT2.1和P_OUT2.2时，根据附加的第二控制流程来控制半导体开关元件，这些控制程序是不同的。因此，附加的第一控制流程可以是产生特别低水平的损耗的控制流程，而附加的第二控制流程可以在半导体开关元件中产生特定的且可控的损耗。在该示例中，可能的控制流程例如也可以是脉宽控制、相移或频率变化。

该方法的区别在于，调整第一功率P_OUT1.1与第一附加功率P_OUT1.2之间的第一相位关系，并且调整第二功率P_OUT2.1与第二附加功率P_OUT2.2之间的第二相位关系，第二相位关系与第一相位关系不同。利用这样的方法，可以用特别精确并且可准确再现的方式产生第二功耗P_V2。尽管关于开发和校准它需要相当大的复杂性，但可以以非常通用并且可靠的方式来使用它。

可以通过测量手段来检测与第一功率P_OUT1.1相关的变量，并将该变量调整到期望值。该变量例如可以是功率变换器的输出功率、输出电压或输出电流。

为了评估是否应当使用根据本发明的方法，特别是是否应当有意地产生功耗，可以使用下面的值中的一个值和/或下面的值中多个值的组合：

-功率输出时间段ΔT₁的持续时间

-脉冲中断时间段ΔT₂的持续时间

-功率随时间的变化

-半导体开关元件中的功耗随时间的变化

-建立的温度或温度曲线

-建立的电压值或电压曲线

-建立的电流值或电流曲线

-功率曲线、半导体开关元件中的功耗、温度曲线、电压曲线或电流曲线的时间导数。该流程被看作是一个独立的发明。因此，例如利用非常短的脉冲中断或非常小的功率变化，使用根据本发明的有意产生功耗的方法并不是有利的，但是根据特定的阈值，当脉冲中断因此超过特定长度或功率变化超过特定阈值时，使用该方法就肯定是有利的了。

根据参考附图对本发明的实施例的以下描述以及根据权利要求，将认识到本发明的其它特征和优点，该附图示出了对本发明来说是很重要的细节很重要。不是旨在必然认为在该示例中示出的各特征是按比例的，而用这样的方式对这些特征进行举例说明使得根据本发明的这些特征能够更加清楚明显。可以在本发明的变型中，单独地实施各个特征，或者以任意组合的方式一起实施各个特征。

附图说明

在示意性附图中举例说明了本发明的实施例，并且在以下的说明中更详细地解释了本发明的实施例。在附图中：

图1示出了一种交流功率产生设备；

图2示出了一种具有两个功率变换器单元的交流功率产生设备；

图3示出了一种具有两个全桥功率变换器单元和3dB 90°混合耦合器的交流功率产生设备；

图4示出了一种具有两个半桥的交流功率产生设备；

图5a是对脉冲操作中的功率曲线的示意性举例说明；

图5b是对调制操作中的功率曲线的示意性举例说明；

图6是一种具有两个E类逆变器的交流功率产生设备；

图7a、图7b和图8a、图8b示出了在脉冲功率输出操作中交流功率的产生随时间的变化。

具体实施方式

图1示出了一种交流功率产生设备5，其可以是高频功率产生设备。该交流功率产生设备5具有功率变换器单元7，在功率变换器单元7中布置了至少一个半导体开关元件9。这里利用用于三种频繁使用的半导体开关元件（MOSFET、IGBT、SCR）的三种不同的符号来表示该半导体开关元件9，旨在以这样的方式来被人理解：在该示例中包括了以不同方式连接的所有可能的半导体开关元件。该功率变换器单元7例如可以具有半桥、或全桥、E类逆变器或D类逆变器。可以用冷却设备17来冷却半导体开关元件9。例如，该冷却设备17可以是将热释放到空气或液体冷却介质的冷却部件。通过控制电路11来控制半导体开关元件9。将产生的功率（在该示例中是交流功率，特别是高频功率）供应给交流功率产生设备5的输出端14。可以在各个点测量温度。第一温度传感器18可以测量交流功率产生设备5的壳体内部的环境温度，第二温度传感器19可以测量冷却设备17处的温度，第三温度传感器20可以测量半导体开关元件9处的温度。也可以建立功率、电压和电流，在该示例中是利用测量传感器21指示的。可以在交流功率产生设备5的输出端14，或在功率变换器单元7的输出端，或在半导体开关元件9之一处执行对这些电变量的测量。

控制电路11具有能够影响控制电路11的监控电路15以便产生用于控制半导体开关元件9的适当的控制信号。产生该控制信号以便以选择性方式来影响一个或多个半导体开关元件的功耗。以这样的方式进行操作，以使得在例如输出端14处的第一功率产生和输出时，半导体开关元件9中的第一功耗P_V1被转换成了热量。在例如输出端14处的比第一功率产生和输出小的第二功率产生和输出的情况下，第二功耗P_V2被转换成了半导体开关元件9中的热量，其中P_V2>P_V1*(P_OUT2.1/P_OUT1.1)，P_OUT2.1优选在0W的范围。利用这样的布置或这样的方法，可以保护该至少一个半导体开关元件9不受由于频率和/或高温的变化而造成的过早损坏。同时，由于功耗仅被增加到解决该问题所需的程度，所以这样的布置是节能的。如果利用对应的措施或设备可以进一步减少第一功耗P_V1，则可以相应地进行调整该控制，以便也相应地减少第二功耗。

例如，可以预先确定期望值22来用于控制电路11，以便控制或调整输出端14处的输出功率。

监控电路15可以具有数字数据处理设备33，该数字数据处理设备33具有数据存储器34和程序存储器35，用于根据第一交流功率P_OUT1.1建立第一功耗P_V1。

监控电路15不必为了建立第二功耗P_V2而使用测量技术来建立第一功耗，但是可以替代使用数据处理设备33、数据存储器34和程序存储器35来快速并且可靠地从所存储的数据库来建立第一功耗，并且影响控制电路11以便产生用于第二功耗P_V2的产生的控制信号。

以精妙的方式，将许多任务都转移给数据处理设备33以便生成功耗P_V2和必要的控制信号，因为数据处理设备33可以根据计算的复杂性而在预定的时间内进行处理。它也可以接管对在校准处理时或在操作期间生成的数据进行的存储、加载和处理。重新调整功耗所必需的速度尤其取决于部件的大小、温度传导性和冷却。利用通常在大于1kW的功率范围内使用的部件，从100μs到100ms的反应时间足够保护该部件不受到损坏。因此对于这些任务，可以使用具有中等速度的数据处理设备，或也承担其它控制任务的数据处理设备。

图2示出了具有两个功率变换器单元7、8的交流功率产生设备5。第二功率变换器单元8也具有至少一个半导体开关元件10、冷却设备27和温度传感器25、26。功率变换器单元8也可以具有，例如，半桥或全桥、E类逆变器或D类逆变器。功率变换器单元7、8的输出功率被供应给功率耦合器12。该功率耦合器12例如可以是功率耦合器（传输线耦合器）、威尔金森耦合器（Wilkinson耦合器）或90°混合耦合器（例如3dB耦合器）。然而，也可以使用耦合两个功率的其他耦合技术。90°混合耦合器所具有的优点是，其基于两个输入信号的相位位置来耦合该两个输入信号，并且以基于相位的方式供应两个不同的输出。因此可以通过改变两个功率变换器7、8的输出信号（对应于耦合器12的输入信号）的相位位置，来保持半导体开关元件9、10中的功耗对应于耦合器输出端的各种输出功率都几乎是恒定的，通过半导体开关元件9、10产生的恒定的输出和功耗，但利用改变的相位位置，以便在耦合器12的（功率）输出端产生不同的功率。供应给耦合器12的其它输出端的功率可以被变换成直流功率，并且可以再次设置交流功率产生设备5作为输入功率。也可以将编译电路（compilation circuit）13连接到功率耦合器12。其可以例如是阻抗转变设备或滤波器或过压保护设备。此外，可以设置另一个测量设备21，另一个测量设备21例如是定向耦合器。其可以被用来建立输出端14处的输出功率（例如正向功率和反向功率）或者用来建立电流、电压以及电流与电压之间的相位，并且由此来建立输出端14处的阻抗。也可以在功率变换器单元7、8的内部执行对电压和/或电流的测量，特别是在半导体开关元件9、10处执行。可以将产生的测量信号供应给控制电路11。

所使用的功率变换器单元7、8的半导体开关元件9、10可以适于在可预先确定的时间被带入部分导通状态。使用这样的设备，可以通过控制电路以简单且精确的方式使半导体开关元件达到期望的功耗水平，即使是在不能以简单的方式调整部分导通状态的电阻的情况下。为了产生随着时间以均匀方式分布的热损耗，可以在短时间段内使半导体开关元件几次进入部分导通状态。与其相关的数据可以存储在监控电路15的数据存储器34中。

功率变换器单元7、8的半导体开关元件9、10可以适于被带入部分导通状态，在该部分导通状态中它们具有电阻R_V，可以通过控制电路11预先确定该电阻R_V。使用这样的设备，可以由控制电路以简单且精确的方式使半导体开关元件达到期望的功耗水平，即使是在不能以简单的方式调整部分导通状态的持续时间的情况下。与其相关的数据可以存储在监控电路15的数据存储器34内。

功率变换器单元7、8的半导体开关元件9、10可以适于被从截止状态带入这样一种状态，在该状态下，它们继续具有截止属性，并且同时功耗被转换成热量。这在技术上是可能的，因为很多半导体开关元件9、10在被控制从截止状态进入导通状态时需要一定程度的时间来用于内部电荷载子的重新分布。在该时间期间，它们保持在截止状态。然而，电荷载子的重新分布在半导体开关元件9、10内产生了功耗。使用这样的设备，可以由控制电路以简单且精确的方式使半导体开关元件9、10达到期望的功耗水平。与这些属性相关的数据可以存储在监控电路15的数据存储器34内。

功率变换器单元7、8的半导体开关元件9、10可以适于被从导通状态带入这样一种状态，在该状态下，它们继续具有导通属性，并且同时功耗被转换成热量。这在技术上是可能的，因为很多半导体开关元件9、10在被控制从导通状态进入截止状态时需要一定程度的时间来用于内部电荷载子的重新分布。在该时间期间，它们保持在导通状态。然而，电荷载子的重新分布在半导体开关元件9、10内产生了功耗。使用这样的设备，可以由控制电路以简单且精确的方式使半导体开关元件9、10达到期望的功耗水平。与这些属性相关的数据可以存储在监控电路15的数据存储器34内。

功率变换器单元7、8的半导体开关元件9、10至少在时间段ΔTon内是能够进入导通状态的，该时间段ΔTon短于由交流功率产生设备产生的频率的周期持续时间的四分之一。使用这样的设备，可以由控制电路以简单且精确的方式使半导体开关元件9、10达到期望的功耗水平。与其相关的数据可以存储在监控电路15的数据存储器34内。

图3示出了交流功率产生设备5，在该示例中，高频功率产生设备具有两个分别被构成全桥的功率变换器单元7、8。与上文已经描述过的元件相对应的元件都被给予相同的附图标记，并且不再进行描述。功率耦合器12是3dB 90°混合耦合器，并且补偿电阻器24连接到功率耦合器12的第二输出端。此外，在该示例中还示出了作为交流功率产生设备5的一部分的直流电源设备6a、6b。直流电源设备6a、6b当然也可以被自然地组合以形成供应功率变换器单元7、8两者的公共直流电源设备6。它们也可以位于在交流功率产生设备5外部。

图4示出了另一交流功率产生设备5，在该示例中，高频功率产生设备也具有两个分别被构成为半桥的功率变换器单元7、8。与上文已经描述过的元件相对应的元件都被给予相同的附图标记，并且不再进行描述。功率耦合器12被配置成具有耦合电感和中央抽头29的变压器装置。中央抽头29被连接到两个补偿元件30、31之间的连接点32，两个补偿元件30、31被连接到直流电源6。在该示例中，也可以通过改变两个功率变换器单元7、8中的控制流程来改变输出功率，并且同时，可以根据本发明来控制半导体开关元件9a、9b、10a、10b中的功耗。因此，半导体开关元件9a、9b的控制信号的相位相对于半导体开关元件10a、10b的控制信号的相位的改变引起输出端14处的输出功率的改变。如果高功率水平要想到达输出端14，就要控制半导体开关元件以致电流经由半导体开关元件9a、10b并且随后经由9b、10a，这样以交替方式流动。如果更低功率水平要想到达输出端14，就要改变控制的相位以致电流经由半导体开关元件9a、10b并随后经由9a、10a、随后经由9b、10a并随后经由9b、10b、然后再次经由9a、10b，这样以循环的方式流动。在本示例中，可以优选使用这种被称为相移法的控制流程利用具有适当大小的功率耦合器12和补偿元件30、31与控制信号一起，来控制半导体开关元件9a、9b、10a、10b的功耗。为了产生功耗，必须维持流过半导体开关元件9a、10a和9b、10b的电流，即使是在电流分别流过9a、10a或9b、10b的时候。在不具有补偿元件30、31的情况下，功率耦合器12中所包含的电感中的电流会迅速减少，并且将无法控制半导体开关元件9a、10a和9b、10b的功耗。通过功率耦合器12与补偿元件30、31的连接，可以维持该电流。补偿元件30、31例如可以是具有特定容量的电容器，并且至少在理论上不会在其中产生功耗，这对能量消耗具有积极的影响。

图5a和图5b示出了交流功率与功耗的产生随时间的典型变化。在每种情况下，上面的信号曲线1示意性地示出了交流功率信号的值，其是在交流频率上求平均值得到的，如可以在功率变换器单元7、8的输出端或在交流功率产生设备5的输出端测量得到的。在功率输出时间段ΔT₁期间，产生第一（交流）功率P_OUT1，在脉冲中断时间段ΔT₂期间，产生第二（交流）功率P_OUT2或不产生功率，其中P_OUT1大于P_OUT2。同时，在该至少一个半导体开关元件中，在功率输出时间段ΔT₁期间产生第一功耗P_V1，在脉冲中断时间段ΔT₂期间产生第二功耗P_V2，这可以在每种情况下下面的曲线，即信号曲线2和3中看到。信号曲线2示意性地示出了在根据本发明的设备和方法中，在交流功率产生设备5的操作期间功耗信号可以如何延伸。用虚线画出的信号曲线3示意性地示出了根据常规方法，功耗信号将如何延伸。

图6示出了另一交流功率产生设备5，其具有两个分别被构成为E类逆变器的功率变换器单元7、8。与上文已经描述过的元件相对应的元件都被给予相同的附图标记，并且不再进行描述。E类逆变器简化了控制电路11，这是因为所有的控制信号都与地电位有关。

图7a和图7b以及图8a、图8b示出了交流功率的产生随时间的典型变化。图7a中相应上面的信号曲线52和图8a中相应上面的信号曲线57分别示意性地示出了在交流频率上求平均值得到的交流功率信号的值，如可以在功率变换器单元7、8的输出端或在交流功率产生设备5的输出端测量得到的。图7b中相应下面的信号曲线54和图8b中相应下面的信号曲线59分别示意性地示出了本实施例中周期性变化的交流功率，其具有频率fp和周期Tp=1/fp，具有比脉冲周期Tp=1/fp更大的基频fn。在本示例中，基频是由交流功率供电的工业过程预先确定的。诸如工业等离子或气体激光器的激发或者感应加热过程的供应之类的高频应用都在一定频率下工作，该一定频率是由用户根据该过程预先确定的。频率fp也可以由该过程预先确定。可以在功率输出时间段ΔT₁期间产生第一交流功率P_OUT1.1，在脉冲中断时间段ΔT₂56期间产生第二交流功率P_OUT2.1或不产生功率。在这两个时间段的每个时间段中，均产生功耗P_V。Tp不恒定但功率输出时间段ΔT₁和脉冲中断时间段ΔT₂简单地交替的过程也是可想到的。输出功率P_OUT也不必须是交流功率，而也可以是直流功率。

Claims (17)

1.一种用于在脉冲功率输出操作中对等离子装置、感应加热装置或激光激发装置进行操作的方法，在功率输出时间段ΔT₁内产生第一功率P_OUT1.1，并且将所述第一功率P_OUT1.1在功率发生器的功率输出端处释放，以将功率供应给等离子过程、感应加热过程或激光激发过程，并且通过控制所述功率发生器的至少一个半导体开关元件（9），在脉冲中断时间段ΔT₂内在所述功率发生器的所述功率输出端不输出适于等离子过程、感应过程或激光激发过程的触发或操作的功率P_OUT2.1，在所述功率输出时间段ΔT₁期间在产生所述第一功率P_OUT1.1的同时在所述至少一个半导体开关元件（9）中产生第一功耗P_V1，在所述脉冲中断时间段ΔT₂期间在所述至少一个半导体开关元件（9）中产生第二功耗P_V2，并且将产生的所述功耗P_V1、P_V2转换成热量，通过对所述半导体开关元件的适当控制，防止了所述半导体开关元件（9）的温度下降超过预定值，并且所述功率输出操作和所述脉冲中断操作持续交替。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率输出时间段和所述脉冲中断时间段以由所述等离子装置、所述感应加热装置或所述激光激发装置预先确定的频率fp来交替。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述功率输出时间段期间，以频率fn产生交流功率，其中fn>fp。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于，fp在0.01Hz到50kHz的范围内。

5.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，根据所述第一功率P_OUT1.1的预定值或测量值来建立所述第一功耗P_V1，基于建立的所述第一功耗P_V1来确定要被调整的所述第二功耗P_V2，并且控制所述至少一个半导体开关元件（9）以产生所述第二功耗P_V2。

6.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过与从数据存储器（34）读取的所述功率P_OUT1.1相关联的值来确定所述第一功耗P_V1。

7.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，基于下面的值中的一个或多个值来调整所述第二功耗P_V2：

-所述功率输出时间段ΔT₁的持续时间

-所述脉冲中断时间段ΔT₂的持续时间

-所述功率随时间的变化

-所述半导体开关元件中的所述功耗随时间的变化

-所建立的温度或温度曲线

-所建立的电压值或电压曲线

-所建立的电流值或电流曲线

-所述功率的曲线的时间导数、所述半导体开关元件中的所述功耗的时间导数、所述温度曲线的时间导数、所述电压曲线的时间导数或所述电流曲线的时间导数。

8.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二功耗P_V2的大小与所述第一功耗P_V1的大小相同。

9.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述功率输出时间段ΔT₁期间控制所述至少一个半导体开关元件（9、10）几次进入导通状态和截止状态，在所述导通状态，所述至少一个半导体开关元件（9、10）具有开关电阻R_on，在所述截止状态，所述至少一个半导体开关元件（9、10）具有截止电阻R_off，并且在所述脉冲中断时间段ΔT₂期间，将所述至少一个半导体开关元件至少暂时性地切换到部分导通状态，在所述部分导通状态，所述至少一个半导体开关元件（9、10）具有过渡电阻R_v，通过R_on<R_v以及R_v<R_off来给定所述电阻。

10.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述脉冲中断时间段ΔT₂期间控制所述至少一个半导体开关元件（9）以使得所述第二功率P_OUT2.1等于零，并且所述第一功耗P_V1与所述第二功耗P_V2相差不超过2倍。

11.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述功率输出时间段ΔT₁期间，控制所述至少一个半导体开关元件（9）使得所述至少一个半导体开关元件（9）在接通时间范围ΔT_on1进入导通状态，并且在关断时间范围ΔT_off1进入截止状态，并且其特征还在于，在所述脉冲中断时间段ΔT₂期间控制所述至少一个半导体开关元件，使得所述至少一个半导体开关元件在接通时间范围ΔT_on2进入导通状态，并且在关断时间范围ΔT_off2进入截止状态，并且其中，ΔT_on2小于ΔT_on1。

12.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过控制至少一个附加的半导体开关元件（10），在所述功率输出时间段ΔT₁期间产生附加的功率P_OUT1.2，并且在所述脉冲中断时间段ΔT₂期间产生附加的功率P_OUT2.2。

13.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述至少一个半导体开关元件（9）和所述至少一个附加的半导体开关元件（10）是分别根据它们自己的控制流程来控制的，所述控制流程是不同的。

14.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，当产生所述功率P_OUT1.1和所述功率P_OUT1.2时，根据另一个第一控制流程来控制所述半导体开关元件（9、10），并且当产生所述功率P_OUT2.1和所述功率P_OUT2.2时，根据附加的第二控制流程来控制所述半导体开关元件（9、10），所述控制流程是不同的。

15.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，调整所述第一功率P_OUT1.1与所述第一附加功率P_OUT1.2之间的第一相位关系，并且调整所述第二功率P_OUT2.1与所述第二附加功率P_OUT2.2之间的第二相位关系，所述第二相位关系与所述第一相位关系不同。

16.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过测量装置来检测与所述第一功率P_OUT1.1相关的功率，并且将与所述第一功率P_OUT1.1相关的所述功率调整到期望值。

17.一种用于产生功率，特别是高频功率的方法，为了评估是否应当使用根据任意一个前述权利要求所述的方法，使用下面的值中的一个值和/或下面的值中的多个值的组合：

-所述功率输出时间段ΔT₁的持续时间

-所述脉冲中断时间段ΔT₂的持续时间

-所述功率随时间的变化

-所述半导体开关元件中的所述功耗随时间的变化

-所建立的温度或温度曲线

-所建立的电压值或电压曲线

-所建立的电流值或电流曲线

-所述功率的曲线的时间导数、所述半导体开关元件中的所述功耗的时间导数、所述温度曲线的时间导数、所述电压曲线的时间导数或所述电流曲线的时间导数。

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