CN106457450A - 用于等离子切割系统的基于宽带隙半导体的电力供应器及相关制造方法 - Google Patents

用于等离子切割系统的基于宽带隙半导体的电力供应器及相关制造方法 Download PDF

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Abstract

在一些方面中，等离子割炬切割系统可包含外壳及等离子割炬电力供应器，所述等离子割炬电力供应器位于所述外壳内且经配置以产生起始在割炬头中产生等离子弧的信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的多个电子组件，所述电子组件中的至少一者至少部分地由宽带隙半导体材料形成。

Description

用于等离子切割系统的基于宽带隙半导体的电力供应器及相 关制造方法
技术领域
本发明大体来说涉及热切割割炬(例如，等离子弧割炬)，且更特定来说涉及具有由宽带隙半导体材料形成的电子组件的等离子弧割炬电力供应器。
背景技术
热处理割炬(例如等离子弧割炬)广泛用于材料加热、切割、刨削及标记中。等离子弧割炬通常包含电极、具有安装于割炬主体内的中心出口孔口的喷嘴、电连接、用于冷却的通道及用于弧控制流体(例如，等离子气体)的通道。可使用涡流环来控制在电极与喷嘴之间形成的等离子室中的流体流动样式。在一些割炬中，可使用固定帽来将喷嘴及/或涡流环维持于割炬主体中。在操作中，等离子弧割炬产生等离子弧，等离子弧为具有高温及充足动量以帮助移除熔融金属的电离气体的收缩射流。用于操作等离子弧割炬的功率可由等离子操作系统的电力供应组合件控制。电力供应器可包含经配置以在等离子弧割炬处控制并供应操作电流的多个电子组件。此多个电子组件可包含经配置以传输、修改并调节从电源供应到等离子弧割炬的信号的点火电路、输入桥接器、逆变器、二极管等。电力供应器的恰当、安全、可靠且高效操作通常需要成百上千的这些电子组件。
发明内容
在一些方面中，一种等离子割炬切割系统可包含外壳及等离子割炬电力供应器，所述等离子割炬电力供应器位于所述外壳内且经配置以产生起始在割炬头中产生等离子弧的信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的多个电子组件，所述电子组件中的至少一者至少部分地由宽带隙半导体材料形成。
实施例可包含以下特征中的一或多者。
在一些实施例中，由所述电力供应器产生的功率的电平对容纳于所述外壳内的所述电力供应器的重量的比率为至少800瓦特/千克(W/kg)。在一些情形中，由所述电力供应器产生的功率的电平对容纳于所述外壳内的所述电力供应器的重量的比率为至少1000瓦特/千克(W/kg)。在一些情形中，容纳于所述外壳内的所述电力供应器的所述重量小于29.3千克。
在一些实施例中，由所述电力供应器产生的功率的电平对由所述外壳围封的体积的比率为至少10瓦特/立方英寸(W/in3)。在一些实施例中，由所述电力供应器产生的功率的电平对由所述外壳内的所述电力供应器占据的体积的比率为至少10瓦特/立方英寸(W/in3)。
在一些实施例中，所述宽带隙半导体材料包括具有大于约3eV的带隙能级的材料。在一些实施例中，所述宽带隙半导体材料包括碳化硅、氧化锌、硝酸镓及金刚石中的至少一者。在一些实施例中，至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者为所述电力供应器的割炬点火电路的组件。在一些实施例中，至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者经配置而以至少50kHz的切换频率操作。在一些实施例中，至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者经配置以在至少1200伏特下以至少50kHz的所述切换频率操作。在一些实施例中，至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者经配置而以在至少100kHz的切换频率操作。在一些实施例中，包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的所述多个电子组件的所述集成电路包括割炬点火电路或割炬控制电路中的至少一者。在一些实施例中，至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者包括电力供应输入桥接器、电力供应功率因数校正二极管、逆变器、电力供应输出二极管及PA绝缘栅极双极晶体管中的至少一者。在一些实施例中，至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者包括为第一碳化硅MOSFET的电力供应功率因数校正二极管及为第二碳化硅MOSFET的逆变器。
在一些实施例中，至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者包括至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的在所述等离子割炬切割系统内使用的至少25％的有源电子组件。在一些实施例中，至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的至少一者包括至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的在所述等离子割炬切割系统内使用的至少50％的有源电子组件。
在一些实施例中，所述等离子割炬切割系统还可包含电连接到电源以产生所述等离子弧的等离子割炬。
在一些方面中，一种等离子弧处理系统可包含：壳体主体；及等离子弧处理装置电力供应器，其安置于所述壳体主体内且适于产生起始在等离子弧处理装置中产生等离子弧的起动信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生所述起动信号的多个电子处理组件，所述电子处理组件中的一或多者至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的半导体材料。
实施例可包含以下特征中的一或多者。
在一些实施例中，由所述电力供应器产生的功率的电平对容纳于所述壳体主体内的所述电力供应器的重量比率为至少800瓦特/千克(W/kg)。在一些实施例中，由所述电力供应器产生的功率的电平对由所述壳体主体内的所述电力供应器占据的体积的比率为至少10瓦特/立方英寸(W/in3)。
在一些实施例中，具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料包含宽带隙材料。在一些实施例中，具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料包括碳化硅、氧化锌、硝酸镓及金刚石中的至少一者。在一些实施例中，至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的一或多者为所述电力供应器的割炬点火电路的组件。在一些实施例中，至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者经配置而以至少50kHz的切换频率操作。在一些实施例中，至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者经配置以在至少1200伏特下以至少50kHz的所述切换频率操作。
在一些实施例中，包括用于产生所述起动信号的所述多个电子组件的所述集成电路包括割炬点火电路。
在一些实施例中，在所述等离子割炬切割系统内使用的至少50％的有源电子组件至少部分地由具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料形成。
在一些实施例中，至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者包括电力供应输入桥接器、电力供应功率因数校正二极管、逆变器、电力供应输出二极管及引导弧绝缘栅极双极晶体管中的至少一者。
在一些实施例中，所述等离子弧处理系统还包含电连接到电源以产生所述等离子弧的等离子割炬。
在一些方面中，一种等离子割炬切割系统可包含：外壳；等离子弧割炬；及电力供应器，其位于所述外壳内且电连接到所述等离子弧割炬，所述电力供应器经配置以产生起始在所述等离子弧割炬中产生等离子弧的电信号，其中所述电力供应器包含：输入电路，其具有i)整流电路及ii)功率因数校正升压转换器电路中的至少一者；及输出电路，其具有i)逆变器电路及ii)一或多个输出二极管中的至少一者，其中所述输入电路及所述输出电路由用于产生所述电信号的多个有源电子组件形成，且至少25％的所述有源电子组件至少部分地由宽带隙半导体材料形成。
实施例可包含以下特征中的一或多者。
在一些实施例中，所述宽带隙半导体材料包括具有大于约3eV的带隙能级的材料。在一些实施例中，所述宽带隙半导体材料包括碳化硅。在一些实施例中，至少50％的所述有源电子组件至少部分地由宽带隙半导体材料形成。在一些实施例中，所述至少25％的所述有源电子组件至少部分地由多种宽带隙半导体材料形成。
在一些方面中，一种制造等离子割炬切割系统的方法可包含：提供等离子割炬电力供应器，所述等离子割炬电力供应器安置于外壳内且经配置以产生起始在割炬头中产生等离子弧的信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的多个电子组件，所述电子组件中的至少一者至少部分地由宽带隙半导体材料形成；将所述等离子割炬电力供应器安置于电力供应器外壳内且将所述等离子割炬电力供应器紧固到所述电力供应器外壳；及在所述外壳内提供一或多个气体流连接，所述气体流连接经配置以连接到等离子割炬引线以将气体流提供到所述割炬头。
本文中所描述的系统及方法可包含至少部分地由本文中所描述的宽带隙材料中的任一者形成的一或多个电子组件。宽带隙材料可以遍及电力供应器的电子组件模块使用的宽带隙材料的各种不同配置及组合中的任一者实施。如本文中所论述，由于电子组件由宽带隙材料形成，因此用于给等离子弧割炬供电的电力供应器可具有经改进性能(例如，经增加切换速度、经改进电压处置能力等)及拓扑(例如，简化制造、合成组件等)，且可被设计并制造为比常规系统更小且更轻(且更便于使用及运输)同时增加可靠性及性能。如本文中所使用，与常规半导体材料相比，术语宽带隙(WBG)材料打算描述经配置以准许电子装置(例如，本文中所描述的有源电子装置)以较高电压、频率及温度操作的各种材料中的任一者。“宽带隙”通常指的是明显大于一电子伏特(eV)的较高电压电子带隙(例如，价带的顶部与传导带的底部之间的能隙)。如伴随宽带隙材料使用的“宽”的准确阈值取决于上下文及特定应用，但对于本文中所描述的一些典型使用，“宽”带隙可指具有至少三(3.0)eV的带隙能级的材料。大体来说，宽带隙材料具有大于常用的常规半导体材料的带隙能级(例如硅(具有约1.1eV的带隙能级)或砷化镓(具有约1.4eV的带隙能级))的带隙能级。在一些实施例中，如下文所论述，宽带隙半导体材料可实施于经机械化等离子割炬系统中、尤其是点火电路中(在一些实施例中，仅实施于点火电路中)，这是由于使用较低额定电压半导体装置(例如，600V)实现经机械化等离子电力供应器的功率链。在此较低电压下，在一些情形中，当与一些其它宽带隙材料(例如，基于硝酸镓的)半导体装置相比时，遍及电力供应器的所有位置处的一些宽带隙材料(例如，基于碳化硅的)半导体装置可不展现显著性能改进(例如，效率改进及以较高频率操作的能力)。然而，在一些实施例中，宽带隙材料可实施于以相对较高电压(例如，约1200伏特)操作的轻工业等离子割炬系统中，其中一些特定宽带隙材料(例如，碳化硅)的益处可较明显。
此类宽带隙材料的实例可包含但不限于碳化硅、氧化锌、硝酸镓及金刚石。下文表1展示碳化硅、氧化锌、硝酸镓及金刚石的实例性性质。
材料 符号 带隙能量
碳化硅 SiC 3.3(eV)
氧化锌 ZnO 3.4(eV)
硝酸镓 GaN 3.4(eV)
金刚石 C 5.5(eV)
表1
当设计包含一或多种半导体材料的电力供应组合件时，设计目标通常为增加性能速度、操作频率及用户选项同时减小系统重量、成本及组件需要，借此允许电力供应组合件较小、较快速且较轻。特定来说，对于便携式等离子操作系统(例如，手动等离子切割系统)来说，电力供应器及总体系统的紧凑性及便携性通常为关键设计目标。在当今的市场中，常规等离子电力供应组合件包含由硅半导体材料(即，具有小于约1.5eV的带隙能级的材料)形成的电子组件，所述电子组件具有约束设计选择的数个热限制及电限制。
本文中所描述的实施例可具有以下优点中的一或多者。
具有由宽带隙半导体材料形成的电子组件的本文中所描述的电力供应系统可被设计且制造为比以由常规半导体材料(例如具有小于约1.5eV的带隙能级的材料(例如，常规硅))形成的常规电子组件制成的一些其它常规电力供应器更小、更轻且更具能量效率。举例来说，与常规组件相比，由宽带隙材料形成的电子组件(例如晶体管及二极管)可以较高电压操作同时维持较低温度，这使得能够将组件制造成较小且较紧凑封装。另外，由宽带隙材料形成的电子组件可以比由常规半导体形成的一些组件高的切换频率(例如，较快速地)操作。部分地基于经增加切换频率，还可将特定类型的组件内的额外组件(例如磁体或散热器)制造为较小(或在一些情形中，将其省略)。
另外或替代地，本文中所描述的系统及方法可用于减小等离子割炬系统内的特定电路的大小或质量(mass)。举例来说，如下文所描述，等离子割炬系统可包含具有一或多个固态开关装置的电路，所述固态开关装置可用于增加切换速度及/或所述电路所适应的电压。在一些情形中，添加及实施这些固态开关装置可减小电路内所包含的无源电子组件中的一些的大小及/或质量。举例来说，如下文所论述，添加固态开关装置可减小在等离子割炬点火电路及/或开关内使用的电容器及电感器的大小。在一些实施例中，固态开关装置也可由一或多种宽带隙半导体材料形成。如本文中所详述，并入此类宽带隙半导体材料可帮助实现设计及制造所述材料在其中实施的较小较紧凑电子组件及较高效电路。另外，宽带隙半导体材料可帮助减小电路内所需的其它组件的数目或电路内的组件中的一些的大小。举例来说，在等离子割炬点火电路内添加一或多个固态开关装置可使得能够使用比在无此类固态开关装置的情况下原本将需要的小(例如，较轻或体积较小)的无源电子装置(例如，电感器或电容器)。在一些情形中，可将无源组件中的一些从系统移除。因此，等离子割炬点火电路模块可比常规割炬点火电路更小且更紧凑。因此，等离子割炬点火电路可安置于常规点火电路部分地由于大小约束而不可布置于其中的各种位置中。举例来说，使用具有固态开关装置及较紧凑无源电子组件的本文中所描述的点火电路，割炬点火电路可比一些常规点火电路安置于距等离子割炬相对较近处，从而减小信号噪声(EM噪声)且改进客户体验。
由于可较高效地操作的较小且较紧凑电子组件，本文中所描述的等离子弧系统电力供应器可经设计并制造为具有经改进的可靠性及性能，同时还比产生等效量的功率的一些其它常规系统更小且更轻。较小且较轻电力供应器可产生对于用户来说较容易且较方便的系统。
附图说明
图1是实例性等离子弧割炬的横截面图。
图2A是具有能量存储装置的实例性等离子弧割炬电力供应器的框图，其图解说明部分地由宽带隙半导体材料形成的一或多个电子组件。
图2B是不具有能量存储装置的实例性等离子弧割炬电力供应器的框图，其图解说明部分地由宽带隙半导体材料形成的一或多个电子组件。
图3是实例性等离子弧割炬电力供应器的示意图，其图解说明部分地由宽带隙半导体材料形成的一或多个电子组件。
图4是具有实例性常规等离子割炬点火电路的常规等离子割炬电力供应器的实例性示意图。
图5A到5F是具有包含开关装置的等离子割炬点火电路的等离子割炬电力供应器的实例性示意图。
图6是由串联连接的硅开关装置形成的点火电路开关装置的实例性示意图。
图7是由宽带隙半导体材料制成的开关装置所形成的点火电路开关装置的实例性示意图。
图8A是具有离散二极管的开关装置的实例性示意图。
图8B是具有集成二极管的开关装置的实例性示意图。
图9是具有SiC开关装置的回扫/辅助电力供应电路的实例性示意图。
具体实施方式
在一些方面中，如本文中所论述，本文中所描述的系统及方法可包含至少部分地由本文中所描述的宽带隙材料中的任一者形成的一或多个电子组件。宽带隙材料可以遍及电力供应器的电子组件模块(例如，功率装置)所使用的宽带隙材料的各种不同配置及组合中的任一者实施。由于电子组件由宽带隙材料形成，因此用于给等离子弧割炬供电的电力供应器可被设计并制造为比常规系统更稳健且高效以及更小且更轻(且更便于使用及运输)。
参考图1，实例性等离子弧割炬100可包含割炬主体102及割炬尖端104。割炬尖端104包含多个消耗件，举例来说，电极105、喷嘴110、固定帽115、涡流环120及遮蔽件125。具有大体圆柱形形状的割炬主体102支撑电极105及喷嘴110。喷嘴110与电极105间隔开且具有安装于割炬主体102内的中心出口孔口。涡流环120安装到割炬主体102且具有一组径向偏移或倾斜气体分布孔127，所述气体分布孔向等离子气体流赋予切向速度分量，从而致使等离子气体流打旋。也包含出口孔口的遮蔽件125连接(例如，旋紧)到固定帽115。如所展示的固定帽115是牢固地连接(例如，旋紧)到喷嘴110的内固定帽。在一些实施例中，相对于遮蔽件125紧固有外固定帽(未展示)。割炬100可另外包含电连接、用于冷却的通道、用于弧控制流体(例如，等离子气体)的通道及电力供应器。在一些实施例中，消耗件包含焊接尖端，所述焊接尖端是用于使经点燃焊接气体通过的喷嘴。在一些实例中，所述割炬可包含开关(例如，触发开关)，所述开关可用于向电力供应器发送信号以起始由电力供应器产生等离子弧。基于此信号，电力供应器内的电组件可产生并调制提供到割炬的信号以控制点火及切割操作。
在操作中，等离子气体流动穿过气体入口管(未展示)及涡流环120中的气体分布孔127。等离子气体从彼处流动到等离子室128中且穿过喷嘴110及遮蔽件125的出口孔口从割炬100流出。首先在电极105与喷嘴110之间产生引导弧。所述引导弧将通过喷嘴出口孔口及遮蔽件出口孔口的气体电离。所述弧接着从喷嘴110转移到工件(未展示)以热处理(例如，切割或焊接)所述工件。应注意，割炬100的所图解说明细节(包含组件的布置、气体及冷却流体流的方向以及电连接)可采取各种形式。在一些实施例中，等离子弧割炬100是空气冷却式的。与水冷却式割炬相比，空气冷却式割炬使用起来可较简单且更适于特定应用，例如低安培等离子切割应用或其中需要可接达性及/或系统便携性的应用。图1中所描绘的等离子割炬100可用作包含如本文中所论述的电力供应器的等离子处理系统的一部分，所述电力供应器包含由本文中所描述的宽带隙半导体材料制成的一或多个电子组件。使用这些基于宽带隙的电子组件来转换、控制及传达割炬信号会增加系统切换频率且改进便携性、电路配置以及系统架构、效率及性能。类似地，在等离子割炬100内使用的电子组件可被制造为较小且较轻，这可产生对于用户来说较容易使用(例如，基于便携性)的等离子割炬。
图2A展示经配置以将能量提供到等离子弧割炬(例如图1的等离子弧割炬100)以在所要割炬操作期间维持等离子弧的示范性电力供应组合件200。如所展示，电力供应组合件200可包含充当用于电力供应器的各种电组件及流体组件的壳体的外壳150。举例来说，外壳150内的组件可包含输入电路220、能量存储装置204(例如，电容器、电池、燃料电池等)、输出电路240及割炬连接器206。电力供应组合件200的输入电路220连接到外部电源202，所述外部电源可将交流(AC)输入信号214提供到输入电路220。能量存储装置204可连接于输入电路220的输出与输出电路240的输入之间。割炬连接器206可位于输出电路240的输出与等离子弧割炬100之间。
电力供应组合件200的能量存储装置204可包括用于替换或补充由外部电力供应器202供应的电力的一或多个可拆卸及/或可再充电电池单元。能量存储装置204是任选的。举例来说，参考图2B，在一些实施例中，电力供应器202不包含能量存储装置204。因此，等离子弧割炬由外部电源202供电。图2B的其它组件可与图2A的组件类似或相同。
往回参考图2A(及图2B)，输入电路220可包含整流电路模块222或升压电路模块224中的至少一者。整流电路222可包含用以对从外部电源202接收的输入信号214进行整流的二极管桥接器。升压电路224可为功率因数校正(PFC)升压转换器，所述PFC升压转换器将来自整流电路222的经整流信号或来自外部电源202的输入信号214转换为基本上恒定预定义直流(DC)输出信号212。尽管输入信号214的电压可基于外部电力供应器202的量值而变化，但输出信号212的电压可由输入电路220维持为基本上恒定，例如在与操作等离子弧割炬100合意的标称电压(Vbus_nominal)偏差约20％内。
电力供应组合件200的输出电路240及割炬连接器206可将来自输入电路220的输出信号212提供到等离子弧割炬100。割炬连接器(例如，等离子割炬引线)206可为包含电传输能力且连接到等离子弧割炬100的传输媒体。电传输能力可包含电引线组、总线及/或有线连接。
输出电路240可包含逆变器电路模块242，所述逆变器电路模块经配置以修改信号(例如从DC波形修改为AC波形)，然后将所得经修改信号提供到割炬连接器206。在一些实施例中，输出电路240可包含一或多个输出二极管(例如，呈输出二极管模块的形式)244，所述输出二极管经配置以对来自逆变器电路242的AC波形进行整流，借此将所述波形变换为DC波形，然后将所得经修改信号提供到割炬连接器206。
在一些实施例中，输出电路240可包含引导弧开关装置(例如，MosFET(例如，SiCMosFET)或绝缘栅极双极晶体管模块(PA IGBT))246，所述引导弧开关装置是可用于起动等离子弧割炬的电子组件。举例来说，开关装置可用于控制到割炬以进行点火的引导电流。当用户第一次拉动点火开关(例如，触发器)时，引导能量接通，且在LSI系统中，电流流动。接着提供供应空气，所述供应空气在空气中形成弧(例如，引导弧)。在不具有此开关装置的情况下，通常将需要高频起动系统。当电流被转移到工件(例如，金属板)时，关断开关装置且所有电流可流动到工件。
电力供应器可在各种配置中基于电力供应器的技术需要而包含由宽带隙半导体材料形成的任何数目个组件。举例来说，在一些实施例中，在电力供应器200中使用的特定百分比的电子组件(例如图2中的有源电子组件模块)可由宽带隙半导体材料形成。举例来说，如下文所详述，在等离子割炬切割系统内使用的至少10％(例如，至少25％、至少50％、至少75％、至少90％或100％)的有源电子组件模块可包含宽带隙半导体材料或部分地由宽带隙半导体材料形成。
如本文中所描述及下文所详述，为了设计及制造具有较紧凑且高效电子组件的等离子割炬电力供应组合件，可实施此类宽带隙半导体材料。使用此类紧凑电子组件(例如，基于宽带隙的电子组件)可产生可较小、较轻且较便于运输(例如，携带)及使用的电力供应组合件。此电力供应器部分地由于经增加切换频率及紧凑系统的电路配置而具有减少的磁性器件及散热器需要。
图3图解说明可从外部电源接收AC电力且将所要电力提供到等离子割炬的实例性等离子割炬电力供应器的设计示意图。举例来说，电力供应器300可至少包含输入桥接器304、功率因数校正升压模块306、逆变器模块308、输出二极管模块310及引导弧绝缘栅极双极晶体管模块312。图3的示意图中所图解说明的相应组件可发挥与上文关于图2A及2B的图式所描述的那些功能类似的功能(或相同功能)。
电力供应器300可在任何数目个可能配置中包含具有宽带隙半导体材料的任何数目个组件。举例来说，如下文所论述，在等离子割炬切割系统内使用的至少10％(例如，至少25％、至少50％、至少75％、至少90％或100％)的有源电子装置可包含一或多种宽带隙半导体材料。
部分地由于图3中所图解说明的电路设计，由一或多种宽带隙半导体材料制成的电子组件可用于给电力供应器供电且在等离子弧割炬中产生等离子弧。如下文所详述，使用此类宽带隙半导体材料可允许形成比具有等效功率输出的常规系统的那些电力供应器更小、更轻、更紧凑且更具能量效率的电力供应器。举例来说，电力供应器300可包含安置于各种模块中的一或多者中的开关装置(例如，MosFET、IGBT等)及/或晶体管组件320。在一些实施例中，所述晶体管组件可为传统IGBT，如图8A中所图解说明。如本文中所论述，使用传统IGBT可需要实施额外IGBT(例如，在一些情形中，需要4个并联连接的IGBT)。并且，传统IGBT可需要离散二极管，所述离散二极管是在制造工艺中的某一点处附接/连接的额外组件。在一些实施例中，传统IGBT由宽带隙开关装置(例如，MosFET(例如，SiC))替换，如图8B中所图解说明。
在一些实施例中，晶体管模块320中的一或多者可为由宽带隙半导体材料制成的开关装置(例如，MosFET、IGBT等)，所述开关装置可以简化方式形成有集成二极管，如图8B中所图解说明。举例来说，如图8B中所图解说明，由宽带隙半导体材料制成的开关可具有在不添加另一部件/组件(即，图8A的离散二极管)的情况下执行所需开关功能的能力。图8B图解说明可制造为开关组合件的组件的集成二极管，这产生较易于设计及制造的装置。
另外，在一些实施例中，电力供应器300还可包含回扫/辅助电力供应器(例如，回扫电力供应器)330。回扫电力供应器330可连接于电路中以将额外功率提供到电力供应器内的一或多个其它组件。布罗维(Borowy)等人的第6,365,868号美国专利中描绘常规回扫电力供应电路的实例，所述专利的内容特此以全文引用的方式并入本文中。简要地，参考图9，如本文中所论述的回扫电力供应器330可至少包含控制集成电路(例如，脉冲宽度调制集成电路)332及晶体管开关装置334。举例来说，开关装置334可包含碳化硅(SiC)MOSFET(例如，1500V或1700 V SiC MOSFET装置)。在一些实施例中，开关装置334可包含集成二极管(在图9中展示为任选的)。回扫电力供应器300还可包含电感装置(例如，磁性装置或用于电感器的绕组)336或连接到所述电感装置。
宽带隙材料可以遍及电力供应器的电子组件模块使用的宽带隙材料的各种不同配置及组合中的任一者实施。
举例来说，在一些实施例中，在电力供应器中使用的特定百分比的电子组件(例如有源电子组件(例如，晶体管、二极管或其它类型的开关))可由宽带隙半导体材料形成。举例来说，在等离子割炬切割系统内使用的至少10％(例如，至少25％、至少50％、至少75％、至少90％或100％)的有源电子组件可包含宽带隙半导体材料或部分地由宽带隙半导体材料形成。
在一些实施例中，通过举例的方式，如下文表2的第一行中所展示，电力供应组合件200的组件中的一些可由宽带隙半导体材料而不是常规硅半导体材料制成。举例来说，PFC升压转换器(例如，升压电路模块224或升压模块306)可从(i)碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)及/或(ii)SiC PFC二极管制成，其两者均由宽带隙半导体材料构造而成。逆变器(例如，逆变器电路模块242或逆变器模块308)可从一或多个SiCMOSFET制成。在此类实施例中，输入桥接器(例如，输入桥接器304)、输出二极管(例如，输出二极管模块310)或开关装置(例如，开关装置(例如，MosFET或PA IGBT)312)仍可为基于硅的(即，非宽带隙硅材料)。因此，在一些实施例中，电力供应组合件200可从电子组件模块的组合制成，所述电子组件模块由常规硅半导体材料及宽带隙半导体材料形成。
在一些实施例中，如表2的第二行中所展示，基于半导体的电力供应组件中的大多数或全部(包含二极管桥接器(例如，输入桥接器304)、PFC升压转换器(例如，升压电路模块224或升压模块306)、逆变器(例如，逆变器电路模块242或逆变器模块308)、输出二极管(例如，输出二极管模块310)及开关装置(例如，开关装置312))可由宽带隙半导体材料制成。
表2
在一些实施例中，用于45A等离子弧割炬的电力供应组合件可并入从一或多个二极管制成的PFC升压转换器，所述一或多个二极管由宽带隙材料(例如，SiC二极管)制成。在一些实施例中，用于65A或85A等离子弧割炬的电力供应组合件可使用一或多个SiC MOSFET及/或SiC二极管用于PFC升压转换器(例如，升压转换器224或306)及使用SiC MOSFET用于逆变器(例如，逆变器242或308)(例如，半桥装置)。
在等离子电力供应组合件中使用宽带隙装置代替一或多个基于硅的装置可为有利的。如本文中所论述，益处可包含功率损耗的减小、较高频率操作、较高效率、电力供应器中的较少组件(例如，对于SiC MOSFET(与Si IGBT相反)通常不再需要反并联二极管(ADP))、重量减小、较高功率-重量比及系统体积减小(例如，经增加紧凑性)。
表3展示使用常规Si IGBT来构造半桥逆变器中的电力开关与使用宽带隙材料(例如相同逆变器中的SiC MOSFET)用于由海宝公司(Hypertherm Inc)制造的PMX85等离子弧割炬之间的性能比较。一些常规等离子弧割炬电力供应器(例如，用于PMX85)可包含由常规半导体材料(通常是硅半导体材料)形成的电子组件。举例来说，在常规系统中，输入电路的二极管桥接器可从硅二极管制成，所述硅二极管可离散地附接到桥接器，这与由宽带隙半导体材料制成的可与其它组件/电路集成在一起的二极管相反。输入电路的PFC升压转换器可从(i)硅绝缘栅极双极晶体管(Si IGBT)与硅反并联二极管(Si APD)及/或(ii)硅PFC二极管制成。输出电路的逆变器可从Si IGBT与Si APD制成。输出二极管可从硅二极管制成，所述硅二极管也可离散地附接到其它组件/电路，这与由宽带隙半导体材料制成的可与其它组件/电路集成在一起的二极管相反。为可用于起动等离子弧割炬的装置的引导弧(PA)IGBT可从Si IGBT与Si APD制成。PA IGBT可具有位于逆变器电流反馈传感器与转移传感器之间的集电极及连接到割炬的喷嘴的发射极。
在一些实施例中，基于碳化硅的电组件可用于接近于割炬在割炬点火电路处或在高电压电力供应器内的高电压应用(例如，约1200V)。在一些实施例中，基于硝酸镓的电组件可用于一些电力供应器内的较低电压应用(例如，约600V)。
PMX85等离子弧割炬包含1200v额定组件。现有/标准Si IGBT的数据基于由英飞凌技术公司(Infineon Technologies)制造的装置FF150R12KS4。SiC MOSFET的数据基于由克里公司(Cree Inc.)制造的装置CCS050M12CM2，其中两个50a/1200 v SiC MOSFET裸片并联连接于逆变器模块内部。将以下度量进行比较：开关电流(Isw)、集电极与发射极之间的电压(Vce)、在切断时电力开关的能量损耗(Eoff)、切换频率(Freq)、传导损耗(Pc)、切换功率(Psw)、总功率(Ptotal)、结到管壳热阻(Rth-jc)及结到管壳温度摆幅(装置的温度摆幅)(ΔTj)。
ΔTj描述在典型切割循环期间装置内的温度增加。大体来说，ΔTj越高，在切割循环周期内装置将越受腐蚀(例如，由于热而断裂)。即，ΔTj越高，装置的可用寿命长度越低。如下文表3中所描绘，FF150R12KS4 150a/1200v装置可在22℃的ΔTj下以27khz切换，而100a/1200v SiC MOSFET装置也可在13℃的ΔTj下以27khz切换。因此，100a/1200v SiCMOSFET装置比FF150R12KS4 150a/1200v装置升温少，且因此预期持续较长。替代地，100a/1200v SiC MOSFET装置可以较高频率(72khz)切换(这产生较快速切换速度)且具有22℃的相同ΔTj(例如，且因此预期为具有类似可用寿命长度同时具有较高性能)。
表3
以下是针对表3的半桥逆变器中的电力开关中的一者，表3中的各种性能度量的一组样本计算：
●Isw(开关电流)＝85*7/9(xfr匝数比)＝66a
●Vce来自数据表
●Eoff从数据表调整到760v总线电压；
●Eoff＝在33a下每一裸片＝0.5mj，因此针对并联的两个裸片为1.0mj。
●Pc(传导损耗)＝Isw*Vce*0.46(0.46是功率装置接通占空比)
●Psw＝Eoff*Freq
●结温度(Tj)近似125C
●125C下典型的漏极到源极电阻(Rds)＝1.5*(25m/2)＝18.8莫姆(mohm)Vce＝66*18.8m＝1.24v
如表3中所展示，当使用宽带隙半导体材料时，设计频率可增加约2.67倍(如上文在针对以72khz操作的100a/1200v SiC MOSFET装置与以27khz操作的FF150R12KS4150a/1200v装置的比较中所描述)，这可允许使用较小磁性组件及较小散热器装置。通过实验及测试，已发现随着切换频率增加，电力供应系统的大小及重量以可预测速率减小。已发现此减小速率大约等于1/(((新切换频率)/(现有切换频率))的平方根)。因此，借助宽带隙装置及相关联电路设计以及重新配置的上文识别并论述的实施方案，电力供应组合件的总重量及大小可减小大约1/(SQR(2.67))＝1/1.63＝0.59。另外，随着宽带隙半导体材料演进及性能改进，预期这些益处将进一步改进。此外，随着功率装置封装演进(例如，经改进裸片安装、经改进热阻、模块内部的较佳裸片附接等)，宽带隙半导体材料可具有较高Tj及ΔTj能力。因此，操作频率可继续增加6到10倍。
如上文所论述，在一些实施例中，本文中所描述的系统及方法可提供与产生类似或等效量的功率的常规系统相比具有减小的重量的等离子弧割炬电力供应组合件。举例来说，下文展示针对85安培等离子系统(例如，来自海宝公司的PMX85系统)的实例性所估计重量减小。
然而，预期WBG85设计(例如，使用宽带隙半导体材料制成的85安培系统)在以由SiC制成的组件制成时以大约60khz到72khz的切换频率切换。
所估计重量减小(使用64khz的切换频率)为SQR(27/64)＝0.65。因此，预期所估计WBG85单元重约.65*30.3＝19.7kg，这提供约20,400W/19.7Kg＝1,035W/kg的所估计功率-重量比。
在一些实施例中，功率-重量比包含由电力供应器产生的功率的电平对外壳、容纳于外壳内的所有组件、连接到外壳的等离子割炬引线及连接到割炬引线的等离子割炬的组合重量的比率。在一些实施例中，功率-重量比包含由电力供应器产生的功率的电平对外壳及电力供应器的组合重量的比率。在一些实施例中，功率-重量比包含由电力供应器产生的功率的电平对电力供应器自身的重量的比率。
在一些实施例中，功率-重量比为至少800瓦特/千克(W/kg)。在一些情形中，功率-重量比可为至少1000W/kg(例如，至少1200W/kg)。
表4展示可由具有仅从用硅半导体材料形成的电子组件构造而成、从硅电子组件和由宽带隙半导体材料形成的组件的混合构造而成及仅从用宽带隙半导体材料形成的电子组件构造而成的电力供应组合件的85A等离子弧割炬系统实现的潜在增益(例如，就逆变器频率、重量及效率来说)的比较。
表4
在一些实施例中，可调整电力供应器架构以利用由宽带隙材料提供的增益，例如减少或消除基于硅的装置原本需要的特定组件(例如，磁性组件、散热器等)。表5展示在使用由宽带隙半导体材料制成的电子组件与由常规硅半导体材料制成的电子组件的混合的情况下85A等离子弧处理系统的大小的潜在改进。如所展示，与当今的基于硅的85A等离子弧处理系统相比，存在约41％的体积减小。
除上文所论述的由使用宽带隙半导体材料产生的潜在重量减小外，在一些实施例中，本文中所描述的系统及方法还可提供与产生类似或等效量的功率的常规系统相比具有经减小大小(例如，体积)的等离子弧割炬电力供应组合件。举例来说，下文计算针对85安培等离子系统(例如，来自海宝公司的PMX85系统)的所估计体积减小。
当前PMX85(finv＝27khz)具有约19.7in.x9.2in.x17.9in.＝3244in3(无手柄)的体积与85a*240v＝20.4kw的ARC延伸功率。因此，PMX85具有大约20,400W/2882in3＝7.1W/in3的功率-体积比。
然而，预期WBG85设计(例如，使用宽带隙半导体材料制成的85安培系统)在具有由SiC制成的组件的情况下以大约60khz到72khz的切换频率切换。
所估计大小减小(使用64khz的切换频率)为SRQ(27/64)＝0.65。因此，预期所估计WBG85单元为约.65*3244＝2109in3，这提供约20,400W/2109in3＝10.7W/in3的所估计功率-体积比。
在一些实施例中，功率-大小(例如，体积)比包含由电力供应器产生的功率的电平对由外壳占据的组合体积(例如，包含外壳及容纳于外壳内的所有组件)和连接到外壳的等离子割炬引线及连接到割炬引线的等离子割炬的体积的比率。在一些实施例中，功率-大小比包含由电力供应器产生的功率的电平对由外壳围封的体积的比率。在一些实施例中，功率-大小比包含由电力供应器产生的功率的电平对电子组件自身(例如，由宽带隙半导体材料形成的组件)的体积的比率。
在一些实施例中，功率-体积比为至少9瓦特/立方英寸(W/in3)。在一些情形中，功率-体积比可为至少10W/in3(例如，至少12W/in3)。
表5
除本文中所描述的宽带隙材料外或替代所述宽带隙材料，等离子弧割炬电力供应系统还可包含具有额外半导体装置的电路，所述额外半导体装置帮助使电路更小且更紧凑(这可使系统更高效或更易于使用)。举例来说，等离子弧割炬点火电路可包含可帮助减小在所述点火电路内使用的其它组件的数目或其它组件的大小的一或多个开关装置(例如固态开关装置)。此类点火电路可特别地与经机械化等离子割炬系统一起使用。
举例来说，图4图解说明具有由火花间隙及一或多个无源组件(例如，电感器)形成的点火电路的实例性常规等离子割炬电路。在此类型的电路中使用的实例性电感器可为其中初级绕组与次级绕组匝数比为3.5:9且体积为785cm3的空心特斯拉(Tesla)线圈变压器。
图5A到5F图解说明具有包含开关装置(例如固态开关装置)的等离子割炬点火电路的实例性等离子割炬电力供应电路。开关装置可用于减少或消除在常规电路中使用的火花间隙及大的无源组件(例如，空心变压器、6kV线频率升压变压器及调谐电容器)。举例来说，通过向等离子割炬点火电路添加开关装置(例如，固态开关装置)，可减少(例如，消除)对火花间隙的需要且可使用较小无源组件(例如电感器或电容器)。由于在点火电路内使用的组件的经减小大小，点火电路自身(即，点火电路模块)可被设计为比常规点火电路系统更小且更紧凑。在一些情形中，图5A到5F的较紧凑点火电路可封装并安置于等离子割炬系统的区中，所述区在常规设计的情况中原本不可获得。举例来说，较紧凑且便携式点火系统可安置于较接近割炬(例如，近得多)的区域中，这可帮助使系统更高效，这是因为当点火电路安置于电力供应器内且远离割炬时，至少部分地由于将点火电压递送到割炬的割炬引线的电阻，可发生能量损耗。
图5A到5F的固态点火电路可包含双绕组变压器(Lignition)，且固态开关装置可连接到通常为170V DC到200V DC左右的DC电源Vdc。所述固态开关装置可与控制电路一起操作以通过控制穿过变压器的初级绕组的电流而将能量存储于变压器中达所要值。所述开关可在初级电流达到目标值时关断。开关关断可产生高电压脉冲以由于存储于变压器中的能量穿过变压器的次级绕组的转移而将流动穿过割炬的气体电离，因此将用于点火的气体电离。
在一些实施例中，本文中(例如，在图5A到5F中)所描述的点火电路由于通过关断开关装置而不是通过接通开关装置而产生的高电压电离脉冲而可与其它类型的点火电路相区别。
所述固态开关装置可为单个半导体装置。在一些实例中，所述半导体开关装置可具有10kV到15kV的额定电压及100A到200A的额定电流。另外，在一些实施例中，半导体开关装置的切换速度(接通与关断速度)为100纳秒(ns)左右或更少以实现高效点火电压脉冲产生。在一些实例中，使用常规硅半导体装置(例如，IGBT)的此电路的实施方案可需要数个此类开关装置的串联连接以产生适合固态开关。替代地，可潜在地使用较高额定电压IGBT(例如，以5kV及以上操作)，然而，预期常规可用较高电压IGBT的切换速度为不适合的。
使用硅IGBT技术的串联连接方法具有特定考虑。举例来说，在一些情形中，多个装置可在使用期间具有可靠性或性能问题。此外，切换速度可随装置及操作温度而变化，这可产生不一致点火电压值。在一些实施例中，开关装置可包含四个(4)1200V(例如，IRG4PSH71–1200V,78A超快IGBT)装置，如图6中所描绘。
图5A到5F的割炬点火电路可包含任何数目个各种类型的其它类型的固态开关装置(例如，MosFET或IGBT)。举例来说，固态开关装置可包含具有由本文中所描述的宽带隙材料中的一或多者形成的开关的一或多个晶体管模块。此类宽带隙材料可经实施以帮助使开关装置自身更小且更紧凑，这还可帮助使整个点火电路更小且更紧凑。另外或替代地，添加到点火的开关装置可包含一或多个常规绝缘栅极双极晶体管模块(IGBT)开关。即，在一些情形中，常规硅IGBT装置可包含额外组件(例如，用于递送点火电压脉冲的点火电感器Lignition的次级绕组可需要为大的以补偿初级电压的减小)。此可导致总体电路的大小及重量的增加。
因此，在一些实施例中，宽带隙半导体可经实施以进一步增加经修改点火电路的性能。特定来说，宽带隙半导体技术可用于提供满足所要电压(例如，5kV及以上)、所要电流(例如，50A及以上)及所要切换速度(例如，100ns或更少)的固态开关。举例来说，图7图解说明由宽带隙半导体材料形成的单个开关(例如，15kV/20A SiC开关装置)的实例性示意图。因此，电感器大小及重量可经减小以产生基本上紧凑、高效且可靠点火电路，所述点火电路可潜在地位于割炬附近。在一些实施例中，单开关配置可减小电磁(EM)噪声电平且改进用户体验。
尽管论述了特定实例，但可通过单独实施本文中所描述的点火电路或与本文中所描述的宽带隙半导体材料组合地实施所述点火电路而将本文中所描述的等离子割炬电力供应系统设计及构造为更紧凑或使用起来更高效。
如所属领域的技术人员将完全了解，上文关于在等离子弧割炬中并入宽带隙半导体材料的描述还适用于需要高功率输出的其它切割系统，例如焊接器等等。另外，所述技术的各方面适用于各种各样的连接式及无绳功率驱动工具。此外，还应理解，可以各种方式组合本发明的各个方面及实施例。基于本说明书的教示内容，所属领域的技术人员可容易地确定如何组合这些不同实施例。并且，所属领域的技术人员在阅读本说明书后可想到修改。
尽管本文中已描述各种实施例，但应理解，已仅通过实例的方式呈现及描述所述实施例，且其不将与其一起呈现的权利要求书限制于任何特定配置或结构组件。因此，优选实施例的广度及范围不应受上述示范性结构或实施例中的任一者限制，而应仅根据所附权利要求书及其等效内容来界定。因此，其它实施例均在所附权利要求书的范围内。

Claims (36)

1.一种等离子割炬切割系统，其包括：
外壳；及
等离子割炬电力供应器，其位于所述外壳内且经配置以产生起始在割炬头中产生等离子弧的信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的多个电子组件，所述电子组件中的至少一者至少部分地由宽带隙半导体材料形成。
2.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中由所述电力供应器产生的功率的电平对容纳于所述外壳内的所述电力供应器的重量的比率为至少800瓦特/千克(W/kg)。
3.根据权利要求2所述的等离子割炬切割系统，其中由所述电力供应器产生的功率的电平对容纳于所述外壳内的所述电力供应器的重量的比率为至少1000瓦特/千克(W/kg)。
4.根据权利要求2所述的等离子割炬切割系统，其中容纳于所述外壳内的所述电力供应器的所述重量小于29.3千克。
5.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中由所述电力供应器产生的功率的电平对由所述外壳围封的体积的比率为至少10瓦特/立方英寸(W/in3)。
6.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中由所述电力供应器产生的功率的电平对由所述外壳内的所述电力供应器占据的体积的比率为至少10瓦特/立方英寸(W/in3)。
7.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中所述宽带隙半导体材料包括具有大于约3eV的带隙能级的材料。
8.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中所述宽带隙半导体材料包括碳化硅、氧化锌、硝酸镓及金刚石中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者为所述电力供应器的割炬点火电路的组件。
10.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者经配置而以至少50kHz的切换频率操作。
11.根据权利要求10所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者经配置以在至少1200伏特下以至少50kHz的所述切换频率操作。
12.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者经配置而以至少100kHz的切换频率操作。
13.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的所述多个电子组件的所述集成电路包括割炬点火电路或割炬控制电路中的至少一者。
14.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者包括至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的在所述等离子割炬切割系统内使用的至少25％的有源电子组件。
15.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者包括至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的在所述等离子割炬切割系统内使用的至少50％的有源电子组件。
16.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者包括电力供应输入桥接器、电力供应功率因数校正二极管、逆变器、电力供应输出二极管及PA绝缘栅极双极晶体管中的至少一者。
17.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其中至少部分地由所述宽带隙半导体材料形成的所述电子组件中的所述至少一者包括为第一碳化硅MOSFET的电力供应功率因数校正二极管及为第二碳化硅MOSFET的逆变器。
18.根据权利要求1所述的等离子割炬切割系统，其进一步包括电连接到电源以产生所述等离子弧的等离子割炬。
19.一种等离子弧处理系统，其包括：
壳体主体；及
等离子弧处理装置电力供应器，其安置于所述壳体主体内且适于产生起始在等离子弧处理装置中产生等离子弧的起动信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生所述起动信号的多个电子处理组件，所述电子处理组件中的一或多者至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的半导体材料。
20.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中由所述电力供应器产生的功率的电平对容纳于所述壳体主体内的所述电力供应器的重量的比率为至少800瓦特/千克(W/kg)。
21.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中由所述电力供应器产生的功率的电平对由所述壳体主体内的所述电力供应器占据的体积的比率为至少10瓦特/立方英寸(W/in3)。
22.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料包含宽带隙材料。
23.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料包括碳化硅、氧化锌、硝酸镓及金刚石中的至少一者。
24.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者为所述电力供应器的割炬点火电路的组件。
25.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者经配置而以至少50kHz的切换频率操作。
26.根据权利要求25所述的等离子弧处理系统，其中至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者经配置以在至少1200伏特下以至少50kHz的所述切换频率操作。
27.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中包括用于产生所述起动信号的所述多个电子组件的所述集成电路包括割炬点火电路。
28.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中在等离子割炬切割系统内使用的至少50％的有源电子组件至少部分地由具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料形成。
29.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其中至少部分地包括具有大于约3eV的带隙能级的所述半导体材料的所述电子处理组件中的所述一或多者包括电力供应输入桥接器、电力供应功率因数校正二极管、逆变器、电力供应输出二极管及引导弧绝缘栅极双极晶体管中的至少一者。
30.根据权利要求19所述的等离子弧处理系统，其进一步包括电连接到电源以产生所述等离子弧的等离子割炬。
31.一种等离子割炬切割系统，其包括：
外壳；
等离子弧割炬；及
电力供应器，其位于所述外壳内且电连接到所述等离子弧割炬，所述电力供应器经配置以产生起始在所述等离子弧割炬中产生等离子弧的电信号，所述电力供应器包含：
输入电路，其具有i)整流电路及ii)功率因数校正升压转换器电路中的至少一者；及
输出电路，其具有i)逆变器电路及ii)一或多个输出二极管中的至少一者，
其中所述输入电路及所述输出电路由用于产生所述电信号的多个有源电子组件形成，且至少25％的所述有源电子组件至少部分地由宽带隙半导体材料形成。
32.根据权利要求31所述的等离子割炬切割系统，其中所述宽带隙半导体材料包括具有大于约3eV的带隙能级的材料。
33.根据权利要求31所述的等离子割炬切割系统，其中所述宽带隙半导体材料包括碳化硅。
34.根据权利要求31所述的等离子割炬切割系统，其中至少50％的所述有源电子组件至少部分地由宽带隙半导体材料形成。
35.根据权利要求31所述的等离子割炬切割系统，其中所述至少25％的所述有源电子组件至少部分地由多种宽带隙半导体材料形成。
36.一种制造等离子割炬切割系统的方法，所述方法包括：
提供等离子割炬电力供应器，所述等离子割炬电力供应器安置于外壳内且经配置以产生起始在割炬头中产生等离子弧的信号，所述电力供应器包含集成电路，所述集成电路包括用于产生起始产生所述等离子弧的所述信号的多个电子组件，所述电子组件中的至少一者至少部分地由宽带隙半导体材料形成；
将所述等离子割炬电力供应器安置于电力供应器外壳内且将所述等离子割炬电力供应器紧固到所述电力供应器外壳；及
在所述外壳内提供一或多个气体流连接，所述气体流连接经配置以连接到等离子割炬引线以将气体流提供到所述割炬头。
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