CN118210335A - 温度控制装置和温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度控制装置和方法，该温度控制装置包括：加热器，该加热器的温度响应于接收功率而升高；电源，该电源向加热器供应交流AC电；温度传感器，该温度传感器感测加热器的温度并输出测量的温度值；以及控制器，该控制器控制控制对加热器的功率供应，使得加热器遵循设定温度分布，其中，该控制器在由多次控制周期构成的可变周期中的第一控制周期(工作)向加热器供应功率，并且在剩余控制周期(非工作)期间停止对加热器的功率供应，直到可变周期结束。

Description

温度控制装置和温度控制方法

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119要求2022年12月15日提交韩国知识产权局的韩国专利申请号10-2022-0176115的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及一种能够控制加热器或冷却器的温度的温度控制装置和方法，并且更具体地，涉及一种用于控制半导体制造设备中包括的加热器或冷却器的温度以遵循设定温度分布的温度控制装置和方法。

背景技术

随着近年来信息媒介的迅速传播，半导体器件在信息社会中的作用变得越来越重要。此外，半导体器件广泛应用于各种工业领域。一种用于制造半导体器件的方法包括加热基板的工艺和冷却基板的工艺。

根据相关技术，已经使用相位角控制方法和脉宽调制(pulse width modulation,PWM)控制方法作为温度控制方法。

相位角控制方法是通过以适合设定温度所需输出的相位角打开控制信号并在此后在0点处关闭控制信号来控制输出功率的方法。虽然由于输出功率值可以连续改变并且在设定输出功率值方面没有限制，因此相位角控制方法在控制温度方面具有优良的精度，但是会产生无线电频率和噪声，并且可以将负载施加在半导体制造装置上。因此，制造装置的耐用性可能降低，并且可能产生导致功率损失的无功功率。

PWM方法是一种通过在一定周期内切换到所需输出功率来控制输出功率的方法，并且根据所需输出，作为一个周期内接通的比率的占空比变化。由于根据PWM方法，控制信号在0点改变，因此不会出现无线电频率和噪声，并且电压和电流具有相同的相位，这将无功功率最小化。PWM方法可分为固定周期控制型和可变周期控制型。在固定周期控制的情况下，控制周期长，并且因此，响应速度降低并且控制温度的精度降低。在可变周期控制的情况下，与固定周期控制相比，可以精确地控制功率和温度，但可变周期的数量受到限制，并且因此，与相位角控制方法相比，控制精度降低。

因此，需要开发一种能够在保证温度控制精度的情况下，降低无线电频率和噪声并降低无功功率的温度控制装置和方法。

发明内容

提供了一种温度控制装置和方法，能够减少由无线电频率输出造成的噪声和对该装置的耐用性的损害。

提供了能够降低加热器或冷却器的无功功率并最大化功率效率的温度控制装置和方法。

提供了能够高精度地控制加热器或冷却器的温度的温度控制装置和方法。

本领域的普通技术人员将理解，通过本公开可以实现的目标和效果不限于上面特别描述的内容，并且通过下面的详细描述将更清楚地理解本公开的其他目的。

附加方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践本公开所呈现的实施方案来学习。

根据本公开的方面，温度控制装置包括加热器，该加热器的温度响应于接收功率而升高；电源，该电源配置为向加热器供应交流(AC)电；温度传感器，该温度传感器配置为感测加热器的温度并输出测量的温度值；以及控制器，该控制器配置为控制供应至加热器的功率供应，使得加热器遵循设定温度分布，其中控制器还配置为在由多次控制周期构成的可变周期中的第一控制周期(工作，on duty)向加热器供应功率，并且在剩余控制周期(非工作)期间停止对加热器的功率供应，直到可变周期结束。

控制器还可以配置为计算所需输出和可变周期值，所需输出是加热器的温度达到设定温度所需的输出相对于功率的最大输出的比率，可变周期值是控制周期可以在可变周期期间内重复的总次数，并且可以被计算为通过四舍五入所需输出的倒数而获得的整数。

控制器可以包括配置为执行计算的处理器和存储数据的存储器，并且处理器还可以配置为计算作为控制输出的可变周期值的倒数，计算通过从所需输出中减去控制输出而获得的值作为不足输出(insufficient output)，并且存储器可以存储不足输出，并且在完成可变周期之后重复的下一个可变周期中，可以基于存储在存储器中的不足输出来计算新的所需输出。

处理器还可以配置为基于设定温度和测量温度之间的差来计算比例-积分-微分控制(proportional-integral-differential control,PID)控制值，并且通过基于PID控制值对存储的不足输出进行积分来计算新的所需输出。

控制器可以包括零交叉检测器(过零检测器，zero-cross detector ZCD)和执行计算的处理器，零交叉检测器(ZCD)在当来自电源的AC电压的强度为0时输出零交叉信号，控制周期可以被确定为从接收到零交叉信号的时刻到接收下一个零交叉信号的时刻的时间段，以及处理器可以配置为在接受到来自ZCD的零交叉信号时确定关于加热器的功率供应状态是否改变。

温度控制装置还可以包括加热器功率开关，该加热器功率开关通过从控制器接收的控制信号来向加热器供应功率或阻断向加热器供应功率，其中加热器功率开关是固态继电器(solid-state relay,SSR)。

处理器可以配置为预先计算与多个所需输出相对应的控制输出、可变周期值和不足输出，并将计算值存储在存储器中，并且根据可变周期的重复从存储器加载并使用与所需输出相对应的控制输出、可变周期值和不足输出。

控制周期可以是来自电源的AC电压的周期的0.5倍。

根据本公开的方面，一种温度控制装置包括：冷却器，该冷却器的温度响应于接收功率而降低；电源，该电源配置为向冷却器供应交流(AC)电；温度传感器，该温度传感器配置为感测冷却器的温度并输出测量的温度值；以及控制器，该控制器配置为控制供应至冷却器的功率供应，使得冷却器遵循设定温度分布，其中控制器还配置为在由多次控制周期构成的可变周期中的第一控制周期(工作)向冷却器供应功率，并且在剩余控制周期(非工作)期间停止对冷却器的功率供应，并且计算所需输出，所需输出是冷却器的温度达到设定温度所需的输出相对于功率的最大输出的比率，其中包括在可变周期中的控制周期的次数被计算为通过四舍五入所需输出的倒数而获得的整数。

根据本发明的方面，一种温度控制装置中的温度控制方法，该温度控制方法控制在多次控制周期构成的可变周期期间向加热器供应功率，使得加热器遵循设定温度，该温度控制方法包括：周期计数步骤，其中，周期计数值是控制周期重复的次数，可变周期值是控制周期在可变周期内重复的总次数；周期更新步骤，其中，当周期计数值大于或等于周期计数步骤中的可变周期值时，周期计数值被更新为0，以及接通步骤，其中，在周期更新步骤中的周期计数值设定为0之后，将用于向加热器供应功率的接通信号传送到加热器功率开关。

温度控制方法还可以包括结束周期，其中，通过在打开开关之后将周期计数值加1而获得的值存储为新的周期计数值。

温度控制方法还可以包括初始周期确定步骤，其中，当周期计数步骤中周期计数值小于可变周期值时，确定周期计数值是否为1；以及断开步骤，其中，当初始周期确定步骤中的周期计数值为1时，将用于切断向加热器供应功率的断开信号传送到加热器功率开关。

温度控制方法还可以包括结束周期，其中，通过在关闭开关之后将周期计数值加1而获得的值存储为新的周期计数值。

温度控制方法还可以包括：初始周期确定步骤，其中，当在周期计数步骤中周期计数值小于可变周期值时，确定周期计数值是否为1；以及周期结束步骤，其中，当在初始周期确定步骤中周期计数值不为1时，将通过将周期计数值加1而获得的值存储为新的周期计数值。

温度控制方法还可以包括比例-积分-微分控制(PID)步骤，其中，在周期更新步骤中将周期计数值更新为0之后，基于由测量加热器温度的温度传感器测量到的测量温度与设定温度之间的差来计算PID控制值；以及所需输出计算步骤，其中，所需输出是加热器的温度达到设定温度所需的输出相对于电源的最大输出的比率，所需输出是基于在PID步骤中计算的PID控制值来计算。

温度控制方法还可以包括可变周期/控制输出计算步骤，其中，基于在所需输出计算步骤中计算的所需输出，将通过四舍五入所需输出值的倒数而获得的值设定为控制输出，并且将通过四舍五入所需输出的倒数而获得的值设定为可变周期值。

温度控制装置还可以包括用于存储数据的存储器，并且在接通步骤中，通过从所需输出中减去控制输出而获得的值可以作为不足输出存储在存储器中。

温度控制方法还可以包括零交叉信号感测步骤，其中，零交叉信号表明感测到电源电压为0，其中，当在零交叉信号感测步骤中感测到零交叉信号时，执行周期计数步骤。

当在周期更新步骤中将周期计数值更新为0并且开始新的可变周期时，在所需输出计算步骤中，在先前可变周期中在存储器中存储有不足输出值的条件下，则基于不足输出值和PID控制值来计算新的所需输出值。

根据本公开的方面，一种由温度控制装置使用的温度控制方法，用于在由多次控制周期构成的可变周期期间控制对冷却器的功率供应并冷却冷却器，使得冷却器遵循设定温度，该温度控制方法包括：周期计数步骤，其中，周期计数值是控制周期重复的次数，可变周期值是在可变周期内控制周期重复的总次数；周期更新步骤，其中，当周期计数值大于或等于周期计数步骤中的可变周期值时，周期计数值被更新为0；接通步骤，其中，在将周期更新中将周期计数值设定为0之后，将用于向冷却器供应功率的接通信号传送到冷却器功率开关；初始周期确定步骤，其中，当在周期计数步骤中周期计数值小于可变周期值时，确定周期计数值是否为1；以及断开步骤，其中，当初始周期确定步骤中的周期计数值为1时，将用于切断向冷却器供应功率的断开信号传送到冷却器功率开关。

附图说明

从以下结合附图的描述，本公开的某些实施方案的上述和其他方面、特征和优点将更明显，其中：

图1为用于描述根据相关技术的半导体制造设备中使用的加热器控制的电路图；

图2为用于说明根据相关技术的脉宽调制(PWM)控制的图；

图3为用于说明根据相关技术的相位角控制的图；

图4为用于说明由于根据相关技术的相位角控制方法而产生噪声的图；

图5为用于描述根据本公开的实施方案的温度控制装置的示意图；

图6为用于描述根据本公开的实施方案的温度控制装置的基于零交叉信号的操作的示意图；

图7为用于描述根据本公开的实施方案根据温度控制方法向加热器供应10％输出的示意图；

图8为用于描述根据本公开的实施方案根据温度控制方法向加热器供应60％输出的示意图；

图9为用于说明根据本公开的实施方案的温度控制方法中的控制输出和可变周期的实例的表；以及

图10为用于描述根据本公开的实施方案的温度控制方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细描述实施方案，实施方案的实施例在附图中示出，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。在这方面，实施方案可以具有不同的形式，并且不应当被解释为限于本文阐述的描述。因此，下面仅通过参考附图描述实施方案，以解释本说明书的方面。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项的任何和所有组合。当在元素列表之前时，诸如“至少一个”的表述修饰整个元件列表，而不修饰列表中的各个元素。

在下文中，将参考附图详细描述本公开的一个或多个实施方案。本公开的实施方案是非限制性的，并且因此本公开的各个方面的范围不一定受所提供的实施方案的任何特定特征的限制。相反，提供这些实施方案将使得本公开彻底且完整，并且会将本公开完全传达给本领域的普通技术人员。

在本说明书中，当认为相关技术的某些详细解释可能不必要地模糊了本公开的实质时，省略了这些详细解释。此外，附图没有按照实际比例示出，以帮助理解本发明，但一些部件的尺寸可能被夸大了。

在下面的描述中，当描述组件连接至另一组件时，其可以直接连接至其他组件，但是可以在其间插入第三组件。类似地，当描述组件存在于另一组件上时，其可以直接形成在另一组件上，或者可以在其间存在第三组件。

此外，为了每个组件的便利性和清晰度，夸大了每个组件的结构或尺寸，并且省略了与描述无关的部分。相同的附图标记表示附图上的相同元件，并且省略其详细描述。此外，本文使用的术语仅用于解释本公开，而不用于限制权利要求中描述的公开的范围。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属的领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在一般使用的词典中定义的此类术语应解释为具有与相关技术领域中的上下文含义相同的含义，并且除非在本公开中明确定义，否则不得解释为具有理想的或过于正式的含义。

本说明书中使用的术语仅用于描述具体实施方案，且不旨在限制本公开。以单数使用的表达包含复数的表达，除非在上下文中有明显不同的含义。在本说明书中，应当理解，诸如“包含(including)”、“具有(having)”和“包括(comprising)”的术语旨在表明说明书中公开的特征、数字、步骤、动作、组件、部件或它们的组合的存在，而不是旨在排除可以存在或可以添加的一个或多个其他特征、数字、步骤、动作、组件、部件或它们组合的可能性。

在本公开的描述中，术语“第一”和“第二”可以用于描述各种组件，但是该组件不应受术语的限制。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第二元件可以称为第一元件，并且同样，第一元件也可以称为第二元件。术语“和/或”包括多个相关描述项或多个相关描述项中的任何一个项的组合。

在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施方案。

本公开涉及一种温度控制装置和方法，用于控制包括在半导体制造设备中的加热器的温度，并且根据该半导体制造设备中的温度控制装置和方法，可以在半导体基板(或晶圆)的加热或冷却过程期间精确地控制加热器的温度，可以防止由于无线电频率和噪声引起的设备耐用性的退化，并且可以通过降低无功功率来提高功率效率。

图1为用于描述根据相关技术的半导体制造设备中使用的加热器控制的电路图。下面参照图1描述根据相关技术的半导体制造设备中的加热器控制。

固态继电器(SSR)可以用作用于控制半导体设备中的加热器的功率的功率开关。用于控制半导体设备中的加热器的温度的控制器可以通过控制SSR来控制施加到加热器的功率输出。可以对SSR执行打开/关闭控制。打开/关闭控制表示控制方法，在该控制方法中，控制器将输出信号传送到SSR，并且SSR根据输出信号打开/关闭加热器。

作为根据相关技术的SSR的打开/关闭控制方法，主要使用以1至2秒的循环开启/关闭输出功率的脉宽调制(PWM)控制。根据PWM控制，根据所需输出开启/关闭功率，以恒定循环供应功率。因此，占空比(其为相对于一个循环的接通时间的比率)根据所需输出功率而变化。

图2为用于说明根据相关技术的脉宽调制(PWM)控制的图。

在PWM控制方法中，通过改变输出的占空比来控制向加热器供应功率，循环相对较长，从几秒至数百秒。可以使用感测输出的零点的零交叉检测器来执行PWM控制方法。使用零交叉检测器的PWM控制方法仅在电压(或电流)的零点处开启/关闭输出功率，并且因此，电压和电流的相位相同。因此，产生的噪声较小，并且几乎没有无功功率，并且从而改善了功率效率。

图2示出了其中通过根据相关技术的PWM控制来控制最大输出的0％和50％的输出处的实施例。参照图2，当输出为0％时，将PWM控制信号维持为0，并且将供应至加热器的电压维持为0。当输出为50％时，仅在一个周期中的0.5个周期期间开启PWM控制信号，并且在剩余的周期内关闭PWM控制信号，并且仅在0.5个周期期间打开供应至加热器的电压。

然而，在PWM控制方法中，控制周期较长，并且只能在零点处改变开启/关闭，并且因此，可能不会在零点处以外的部分控制开关。因此，控制可能不能平稳地执行，并且加热器控制的精度可能不足，从而降低加热器的温度控制稳定性。此外，当控制周期减少时，输出分辨率降低。

也就是说，根据PWM控制方法，可能不会出现由无线电频率和噪声引起的问题，但可能无法精确控制加热器温度，以及加热器控制的精度可能会降低。

为了解决根据相关技术的关于SSR的PWM控制方法中的问题，可以使用利用随机SSR、硅控整流器(silicon controlled rectifier,SCR)或用于交流电的三极管(triodefor alternating current,TRIAC)开关的相位角控制方法。相位角控制方法是一种通过以适合于所需输出的相位角重复打开的输出信号并且在每个周期的下一个零交叉时刻关闭输出信号来控制向加热器供应功率的方法。

图3为用于说明根据相关技术的相位角控制的图。图4为用于描述根据相关技术的相位角控制方法的由于输出的改变而产生噪声的图。

相位角控制的一个周期可以对应于交流(AC)电的0.5个周期或1个周期，并且即使当输出不是零点时，开关的开启/关闭也可以改变。因此，供应功率的输出强度可以在必要的时间点自由改变，并且从控制的精度和稳定性来看，相位角控制可能优于PWM方法。在图3和图4所示的实施例中，示出了相位角控制的一个周期为AC电的0.5个周期。

图3示出了通过根据相关技术的相位角控制来控制最大输出的25％和50％的输出的实施例。参照图3，当输出为25％时，重复地在0.75个周期时开启PWM控制信号，并且在下一个零点时关闭。此外，当输出为50％时，重复地在0.25个周期时开启PWM控制信号，并且在下一个零点时关闭。

然而，根据相位角控制方法，由于无线电频率产生噪声，减少了诸如加热器、SSR等设备的寿命，并且存在误操作的问题。参照图4，当打开开关时，在某个时间点出现噪音。由于无线电频率/高电压操作而产生噪声，并且当输出被控制为最大输出的30％至70％时，噪声变得有问题。

此外，在输出的半个周期的关闭期间，电流的相位滞后于电压的相位，并且相应地产生无功功率并且存在功率损耗，并且从而增加了成本。此外，无线电频率产生的噪声可能会严重影响用于补偿无功功率的电容器设备。

根据本公开的各种实施方案的温度控制装置和方法，可以解决上述根据相关技术的加热器控制方法的问题，并且增加了优点。

图5为用于描述根据本公开的实施方案的温度控制装置的图。图6为用于描述根据本公开的实施方案的温度控制装置的基于零交叉信号的操作的示意图。

下面参照图5描述根据本公开的实施方案的温度控制装置1。

温度控制装置1可以包括加热器100、电源200、温度传感器300、控制器400和加热器功率开关500。

当向加热器100供应功率时，加热器100可以被加热。在实施方案中，加热器100可以由任意的电阻材料形成。

电源200可以向另一组件供应交流电。当从电源200接收功率时，加热器100、温度传感器300、控制器400和加热器功率开关500可以激活。

加热器功率开关500从控制器400接收控制信号，并向加热器100供应功率或阻断功率。加热器功率开关500可以是固态继电器(SSR)。

尽管未在图5中示出，温度控制装置还可以包括功率转换电路，该功率转换电路转换来自电源200的功率并将该功率供应至每个组件，例如，低压差(low dropout,LDO)电路或电压调节电路。

温度传感器300可以感测加热器100的温度，并将测量的温度值输出到另一组件。控制器400可以通过基于从温度传感器300传送的测量的温度值来控制从电源200向加热器100的供应的功率来控制加热器100的温度。控制器400可以控制向加热器100的功率供应，使得加热器100遵循设定温度。

控制器400可以控制加热器100，使得加热器100的温度达到设定温度。加热器功率开关500可以在接收到来自控制器400的控制信号时启动或停止向加热器100的功率供应。根据从控制器400发送的控制信号，加热器功率开关500可以控制关于加热器100的功率供应。

控制器400可以包括处理器410、零交叉检测器(ZCD)420和存储器430。控制器400可以控制温度控制装置1的全部操作。

控制器400可以分析温度传感器300的感测结果并控制后处理。例如，控制器400可以基于由温度传感器300感测到的测量温度来控制供应至加热器100的功率，使得加热器100开始运行或停止运行。基于来自温度传感器300的感测结果，控制器400可以控制向加热器100供应功率的功率量和时间，使得可以将加热器100加热至设定温度或保持在设定温度。

处理器410是执行计算的组件，并且处理器410可以被实施为多个逻辑门的阵列、或通用微处理器和其中存储了可在微处理器上执行的程序的存储器的组合。此外，本领域的普通技术人员将理解，处理器410可以以其他类型的硬件来实施。

ZCD 420监测电源200的AC电压(或AC电流)的强度，并且当检测到电压(或电流)的强度变为0的零点时，ZCD 420输出零交叉信号。可以将零交叉信号传送到诸如处理器410等的组件。为了描述方便，描述了当电源200的电压为0时输出零交叉信号。然而，本公开不限于上述实施例，并且根据本公开的温度控制装置和方法可以具有当电流为0时输出零交叉信号的实施方案。

图6示出了用于说明由ZCD 420产生的零交叉信号的图。参照图6，当电源200的AC电压V的强度为0时，ZCD 420可以向处理器410输出零交叉信号。

当从ZCD 420接收零交叉信号时，处理器410可以通过向加热器功率开关500输出控制信号来控制加热器100。以上述方式，加热器功率开关500的功率供应可以根据电源200的AC电压V的强度变为0的零点来启动或停止，并且因此可能不会发生无线电频率/高电压引起的噪声。因此，可以解决相位角控制的问题，并且可以使用该装置而不受负载的容量或特征的任何限制地。

参照图6中示出的图，当AC电压V为0时产生的零交叉信号和零交叉信号之间的间隙是AC电压V的周期的0.5倍。此外，零交叉信号和零交叉信号之间的时间周期可以称为一个控制周期，或者0.5倍AC电压V的周期的时间可以称为一个控制周期。在下文中，为了描述方便，将AC电压的0.5个周期称为一个控制周期或一个循环。

存储器430是用于存储在温度控制装置1中处理的各种数据的硬件，并且可以存储由控制器400处理和待处理的数据。存储器430可以包括闪存型、硬盘型、微型多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或XD存储器等)、随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM存储器(EEPROM)、可编程存储器(PROM)、磁存储器、磁盘和光盘中的至少一种类型的存储介质。

处理器410可以执行用于PID控制、输出集成控制、可变周期PWM生成控制等所需的操作。参照图5，处理器410可以包括PID控制器411、输出积分器412和可变周期PWM生成器413。由于处理器410的操作，PID控制器411、输出积分器412和可变周期PWM生成器413可以是作为算法实施的软件。在另一实例中，可以将PID控制器411、输出积分器412和可变周期PWM生成器413中的至少一些作为独立于处理器410的硬件来提供。

每当检测到零交叉信号时，控制周期可以重复一次。也就是说，控制周期可以表示从接收零交叉信号的时刻到接收下一个零交叉信号的时刻的时间周期。当从ZCD 420接收到零交叉信号时，处理器410可以确定向加热器100供应功率的状态是否改变。

PID控制器411计算测量温度和设定温度之间的温差，并且可以基于该温差计算并输出PID控制值。

处理器410可以计算所需输出，该所需输出为加热器100达到温度所需的输出相对于来自电源200的最大输出的比率。

输出积分器412可以基于从PID控制器411输出的PID控制值，通过对在先前控制周期中产生的不足输出进行积分来计算所需输出值。不足输出可以被计算为在先前控制周期中计算的所需输出与控制输出之间的差。

可变周期PWM生成器413基于从输出积分器412输出的所需输出值计算待施加到加热器100的控制输出，并基于所计算的控制输出来计算可变周期。之后将参照图7至图9详细描述控制输出和可变周期的计算。

“所需输出-控制输出”的值被计算为不足输出值，并且可以存储在存储器430中。

如上所述，控制器400可以通过闭环温度控制对加热器100的温度执行反馈控制，该闭环温度控制由以下构成：“感测零交叉信号→检测测量温度→PID控制计算→输出集成控制计算→所需输出计算→控制输出和可变周期计算→控制信号输出→不足输出计算→感测零交叉信号→检测测量温度…”。

之后将参照图10详细描述通过PID控制、输出集成控制和可变周期PWM控制算法来控制加热器100的方法。

图7至图9是用于描述根据本公开的实施方案的温度控制方法中的计算可变周期和控制输出的方法的表格和图。

根据本公开的实施方案的温度控制方法可以参照图5和图6，由以上描述的温度控制装置1中的各种组件来实施。在温度控制方法中所需配置的描述使用参照图5和图6描述的温度控制装置1中的组件的描述。

在根据本实施方案的温度控制方法中，可变周期表示控制加热器100所需的时间周期。可变周期是一个控制周期的整数倍，并且可以表示为‘n次’或‘n个循环’。所需的可变周期的次数可以通过处理器410的可变周期PWM生成算法来计算。

参照图7，下面描述了计算所需输出、控制输出和用于控制输出为最大输出的10％的加热器的可变周期的方法。

在可变周期中，可以仅在一个控制周期(工作)期间向加热器供应功率，并且在剩余控制周期(非工作)期间不向加热器供应功率直到可变周期结束。例如，当可变周期为10次时，在一个控制周期(工作)期间输出电压，并且在九个控制周期(非工作)期间不输出电压。也就是说，仅在可变周期中的10％的控制周期期间向加热器施加电压，并且因此，在一个可变周期期间可以向加热器提供10％的输出。

在可变周期期间重复控制周期的总次数可以称为可变周期值。当需要10％的输出时，将可变周期值设定为10，一个控制周期(工作)输出电压，并且九个控制周期不输出电压，即，可变周期值-1(非工作)，使得达到所需输出。换言之，在输出一个控制周期(工作)的电压之后，在控制周期数的整数倍(＝9)(非工作)不输出电压，然后，可以实现所需输出并且不会发生不足输出。

由于所需输出为10％，并且控制输出为10％，因此通过从所需输出(％)中减去控制输出(％)计算出的不足输出变为0％。如在该实施例中，当不足输出为0％时，在下一个可变周期中将0％与所需输出进行积分，并且因此，可能不会实质上执行集成控制。

这样，可以识别出，当控制周期(其中不输出电压)是整数倍使得实现输出时，集成控制是不必要的。

参照图8，下面描述了计算所需输出、控制输出和用于控制输出为最大输出的60％的加热器的可变周期的方法。

当输出是最大输出的60％时，例如在输出是最大输出的10％的情况下一样，在可变周期期间供应至加热器的电压的输出可以仅供应一个控制周期(工作)，并且在剩余可变周期(非工作)期间不提供。然而，在这种情况下，所需的可变周期值是5/3，是0.6的倒数，并且因此，只要在2/3控制周期(控制周期的次数(可变周期值-1))期间不输出电压，就可以实现所需输出。然而，与相位角控制不同，仅当AC电压为0时才执行基于零交叉信号的控制，并且在控制周期不是整数倍的情况下，在控制周期内不能开启/关闭电压。也就是说，在根据相关技术的基于零交叉信号的控制中，可以将供应至加热器的功率控制为输出(10％、20％、50％等)，其中所需输出(％)的倒数是整数，并且因此，向加热器供应的功率的强度受到限制，并且控制精度可能降低。

为了解决上述问题，根据本实施方案的控制方法，可以将与所需输出60％接近的50％的输出设定为控制输出。因为50％的倒数是2，也就是一个整数，所以50％的输出可以以零交叉型输出。

可变周期值可以被计算为控制输出的倒数。在该实施例中，因为控制输出为50％(＝0.5)，所以可变周期值可以为2。也就是说，为了实现50％的控制输出，可以将可变周期值确定为2，在一个控制周期(工作)期间输出电压，并且可以在由(可变周期值-1)计算的剩余一个控制周期期间(非工作)不输出电压。在这种情况下，由于不足输出(％)＝所需输出(％)-控制输出(％)，因此不足输出为10％。10％的不足输出被存储在存储器430中，并且在结束当前可变周期之后重复的下一个可变周期中，不足输出可以通过输出积分算法被积分到新的所需输出。可以通过将不足输出与PID控制值相加来计算新的所需输出。

通过重复上述过程，即使当需要整数％输出以及十进制输出(decimal output)时，也可以精确地控制加热器的温度，而不受所需输出(％)的倒数是否为整数的限制，即使控制是基于零交叉的。

图9是根据本公开的实施方案的用于执行可变周期控制的表。

为了执行根据本公开的实施方案的输出集成控制，对于每个所需输出，控制输出和不足输出是必需的。

因为控制输出是基于零交叉控制执行的输出，所以可以使用任何值，只要倒数是整数，但是为了减少不必要的误差，需要选择尽可能接近所需输出的值。

参照图9，当所需输出的倒数为整数(例如4％、5％、10％、50％和100％)时，控制输出和所需输出的值彼此相等，不会发生不足输出的情况。在上述情况下，如上所述，积分控制是不必要的。

与上面的实例不同，当所需输出的倒数不是整数(例如，9％、11％、12％、49％、51％和99％)时，所需输出选择为另一值，该值的倒数可以是整数倍，并且之后，所产生的误差可以积分到下一个控制周期并控制。

例如，控制输出可以是通过四舍五入所需值的倒数然后再次倒置而获得的值。在另一实施例中，控制输出可以是升高所需输出的倒数然后再次倒置的值。在另一实施例中，控制输出可以是丢弃所需输出的倒数然后再次倒置的值。

如上所述，可以将对应于所需输出的控制输出和不足输出预先存储在存储器430中，以便当处理器410需要它们时加载和使用它们。例如，处理器410可以计算并存储对应于存储器430中的多个所需输出的控制输出、可变周期值和不足输出，并且可以按需要从存储器430加载它们以控制加热器的温度。在另一实施例中，存储器430可以存储关于与开始的各种所需输出相对应的控制输出、可变周期值和不足输出的表，并且处理器410可以使用存储在该表中的控制输出、可变周期值和不足输出来控制加热器的温度，而不计算上述值。在另一实施例中，处理器410可以按需要计算和使用对应于所需输出的控制输出和不足输出，以控制加热器的温度。

图10为根据本公开的实施方案用于描述温度控制方法的流程图。为了避免多余的描述，关于与参照图5至图9描述的组件相同的组件的描述可以省略。

根据参照图10的流程图描述的实施方案的温度控制方法可以通过包括在以上参照图5至图9描述的温度控制装置1中的组件来实施，例如，处理器410、存储器430等。

根据实施方案的温度控制方法可以在每个控制周期和每0.5个AC电压周期执行。当没有输入零交叉信号时，可以不执行温度控制方法。

每当一个控制周期过去时，处理器410可以计数到目前为止该控制周期已经重复了多少次，并将该值存储在存储器430中。本文，控制循环重复次数的值可以称为周期计数值。例如，当可变周期为50次时，每当检测到零交叉信号就进行1个控制周期，并且当在进行了可变周期50次之后检测到零交叉信号时，周期计数值可以为50。每当从ZCD 420检测到零交叉信号时，处理器410可以更新周期计数值。

此外，每当从ZCD 420接收到零交叉信号时，处理器410都可以执行温度控制方法(操作S100)。

当感测到零交叉信号时，处理器410可以将周期计数值与可变周期值进行比较(操作S200)。可变周期值可以是在可变周期进行时控制周期重复的总次数。可变周期的初始值可以为0。

在操作S200中，当周期计数值等于或大于可变周期值时，处理器410可以认为可变周期结束并且可以开始新的可变周期。

为了开始新的周期，处理器410可以将周期计数值更新为0(操作S211)。

处理器410可以计算由温度传感器300检测到的测量温度和设置温度之间的温差，并且可以通过基于该温差执行PID控制来计算PID控制值(操作S212)。PID控制所需的比例参数、积分参数和微分参数是本领域技术人员适当选择的数值，并且可以通过实验/实证方法计算和应用。

处理器410可以基于PID控制值，考虑在先前可变周期中累积的不足输出来计算所需输出(操作S213)。不足输出和所需输出可以与电源200的最大输出的成比例确定。可以将该PID控制值转换成适当的值，以便与不足输出相加。

处理器410可以基于在操作S213中计算的所需输出来计算控制输出和可变周期值(操作S214)。控制输出可以确定为其倒数为整数并且接近所需值的值。例如，控制输出可以是通过四舍五入、提高或丢弃所需值的倒数然后再次倒置而获得的值。可变周期值可以是通过四舍五入、提高或丢弃所需输出的倒数而获得的值。可变周期值可以是控制输出的倒数。

当所需输出的值是其倒数为整数的值时，可以确定控制输出等于所需输出。

处理器410向加热器功率开关500传送接通信号用于向加热器供应功率，并且可以计算不足输出(操作S215)。

不足输出可以被计算为“所需输出-控制输出”的值。当所需输出的值是其倒数为整数的值时，不足输出可以为0。

处理器410可以将不足输出存储在存储器430中，并将周期计数值更新为1。

当周期计数值小于可变周期值时，处理器410可以确定周期计数值是否为1(操作S221)。

在操作S200中，当周期计数值小于可变周期值时，处理器410确定可变周期正在进行，并且然后可以确定周期计数值是否为1(操作S221)。

由于在操作S221中当周期计数值为1时首次终止控制周期，因此处理器410向加热器电源开关500传送断开信号以用于停止对加热器的功率供应(操作S222)，并且将通过将周期计数值加1而获得的值作为新的周期计数值存储在存储器430中，并且结束控制操作(操作S216)。

由于在操作S221中，当周期计数值不为1时，控制周期进行多于一次，因此必须保持暂停向加热器供应功率的断开状态，并且因此，通过将周期计数值加1而获得的值作为新的周期计数值存储在存储器430中，而不执行任何其他操作，然后可以结束控制操作(操作S216)。

根据上述控制方法，根据第一控制周期所需输出计算控制输出和可变周期，并向加热器供应功率，之后，在第二控制周期中，暂停对加热器的功率供应。此外，当周期计数值等于可变周期值(＝当可变周期结束时)时，维持对加热器的功率供应阻塞，并且可以提供所需输出。

根据本实施方案的温度控制装置和方法，某个可变周期由多次控制周期构成，并且仅在第一控制周期期间向加热器供应功率，而在剩余控制周期期间，不向加热器供应功率，并且结束可变周期。对加热器的功率供应仅在一个控制周期内固定地执行，并且因此，输出的大小取决于可变周期的长度和次数。通过重复上述相对简单的打开/关闭，可以通过向加热器提供所有期望数值输出来将加热器控制到期望的温度，并且因此，基于零交叉控制，可以改善控制精度，并且可以防止设备耐用性因无线电频率和噪声而退化，并且不会出现无功功率。

此外，对本领域技术人员显而易见的是，本公开的实施方案中公开的温度控制方法可以以同样的方式用于冷却加热器和加热加热器的过程。例如，上述温度控制装置和方法可以以相同的方式用于冷却器的控制，其中通过接收功率降低冷却器的温度。

应当理解，本文描述的实施方案应当仅被认为是描述性的，而不是为了限制的目的。在每个实施方案中的特征或方面的描述通常应当被认为可以用于其他实施方案中的其他类似的特征或方面。虽然已经参考附图描述了一个或多个实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由以下权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节的各种改变。

Claims (19)

1.一种温度控制装置，所述温度控制装置包括：

加热器，所述加热器的温度响应于接收功率而升高；

电源，所述电源配置为向所述加热器供应交流AC电；

温度传感器，所述温度传感器配置为感测所述加热器的温度并输出测量的温度值；以及

控制器，所述控制器配置为控制对所述加热器的功率供应，使得所述加热器遵循设定温度分布，

其中，所述控制器还配置为在由多次控制周期构成的可变周期中的第一控制周期向所述加热器供应功率，并且在剩余控制周期期间停止对所述加热器的功率供应，直到所述可变周期结束。

2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，

所述控制器还配置为计算所需输出和可变周期值，所述所需输出是所述加热器的温度达到设定温度所需的输出相对于所述功率的最大输出的比率，

所述可变周期值是所述控制周期在所述可变周期内重复的总次数，并且计算为通过将所述所需输出的倒数四舍五入而获得的整数。

3.根据权利要求2所述的温度控制装置，其中，所述控制器包括：

处理器，所述处理器配置为执行计算；以及

存储数据的存储器，

以及所述处理器还配置为：

计算作为控制输出的所述可变周期值的倒数，

计算通过从所述所需输出中减去所述控制输出而获得的值作为不足输出，以及

存储器存储所述不足输出，以及

在完成所述可变周期之后重复的下一个可变周期中，基于存储在所述存储器中的所述不足输出来计算新的所需输出。

4.根据权利要求3所述的温度控制装置，其中，所述处理器还配置为

基于所述设定温度和测量温度之间的差计算比例-积分-微分控制PID控制值，以及

通过基于所述比例-积分-微分控制PID控制值对所存储的不足输出进行积分来计算新的所需输出。

5.根据权利要求3所述的温度控制装置，其中，所述处理器还配置为

预先计算与多个所需输出对应的控制输出、可变周期值和不足输出，并将计算值存储在所述存储器中，以及

根据所述可变周期的重复从存储器中加载并使用与所述所需输出相对应的所述控制输出、所述可变周期值以及所述不足输出。

6.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，所述控制器包括：

零交叉检测器ZCD，所述零交叉检测器ZCD在来自所述电源的AC电压的强度为0时输出零交叉信号；以及

处理器，所述处理器配置为执行计算，

将所述控制周期确定为从接收到零交叉信号的时刻到接收到下一个零交叉信号的时刻的时间段，以及

所述处理器还配置为在接收到来自所述零交叉检测器ZCD的零交叉信号时确定关于加热器的功率供应状态是否改变。

7.根据权利要求1所述的温度控制装置，所述温度控制装置还包括：

加热器功率开关，所述加热器功率开关配置为响应于从所述控制器接收的控制信号而允许向所述加热器供应功率或阻止对所述加热器的功率供应，

其中所述加热器功率开关包括固态继电器SSR。

8.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，所述控制周期是来自所述电源的AC电压的周期的0.5倍。

9.一种温度控制装置，所述温度控制装置包括：

冷却器，所述冷却器的温度响应于接收功率而降低；

电源，所述电源配置为向所述冷却器供应交流AC电；

温度传感器，所述温度传感器配置为感测所述冷却器的温度并输出测量的温度值；以及

控制器，所述控制器配置为控制对所述冷却器的功率供应，使得所述冷却器遵循设定温度分布，

其中，所述控制器还配置为在由多次控制周期构成的可变周期中的第一控制周期向所述冷却器供应功率，并且在剩余控制周期期间停止对所述冷却器的功率供应，以及

计算所需输出，所述所需输出是所述冷却器的温度达到设定温度所需的输出相对于所述功率的最大输出的比率，其中

将所述可变周期中包括的所述控制周期的次数计算为通过将所述所需输出的倒数四舍五入而获得的整数。

10.一种温度控制方法，所述温度控制方法用于通过温度控制装置来控制在由多次控制周期构成的可变周期期间对加热器的功率供应，使得所述加热器遵循设定温度，所述温度控制方法包括：

周期计数步骤，其中，周期计数值是所述控制周期重复的次数，可变周期值是所述控制周期在所述可变周期期间重复的总次数；

周期更新步骤，其中，当所述周期计数值大于或等于所述周期计数步骤中的所述可变周期值时，所述周期计数值更新为0；以及

接通步骤，其中，在将所述周期更新步骤中的所述周期计数值设定为0之后，将用于向所述加热器供应功率的接通信号传送到加热器功率开关。

11.根据权利要求10所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括周期结束步骤，其中，在所述接通步骤之后通过将所述周期计数值加1而获得的值存储为新的周期计数值。

12.根据权利要求10所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括：

初始周期确定步骤，其中，当在所述周期计数步骤中所述周期计数值小于所述可变周期值时，确定所述周期计数值是否为1；以及

断开步骤，其中，当在所述初始周期确定步骤中所述周期计数值为1时，将用于切断对所述加热器的功率供应的断开信号传送到所述加热器功率开关。

13.根据权利要求12所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括

周期结束步骤，其中，将在所述断开步骤之后通过将所述周期计数值加1而获得的值存储为新的周期计数值。

14.根据权利要求10所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括：

初始周期确定步骤，其中，当在所述周期计数步骤中所述周期计数值小于所述可变周期值时，确定所述周期计数值是否为1；以及

周期结束步骤，其中，当在初始周期确定步骤中所述周期计数值不是1时，将通过将所述周期计数值加1而获得的值存储为新的周期计数值。

15.根据权利要求10所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括：

比例-积分-微分控制PID步骤，其中，在所述周期更新步骤中将所述周期计数值更新为0之后，基于由测量所述加热器的温度的温度传感器检测到的测量温度与所述设定温度之间的差来计算比例-积分-微分控制PID控制值；以及

所需输出计算步骤，其中，基于在所述比例-积分-微分控制PID步骤中计算的所述比例-积分-微分控制PID控制值来计算所需输出，所述所需输出是所述加热器的温度达到所述设定温度所需的输出相对于所述电源的最大输出的比率。

16.根据权利要求15所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括可变周期/控制输出计算步骤，其中，基于在所述所需输出计算步骤中计算的所述所需输出，将通过四舍五入所述所需输出值的倒数而获得的值设定为所述控制输出，并且将通过四舍五入所述所需输出的倒数而获得的值设定为所述可变周期值。

17.根据权利要求16所述的温度控制方法，其中

所述温度控制装置还包括用于存储数据的存储器，以及

在接通步骤中，将通过从所述所需输出中减去所述控制输出而获得的值作为不足输出存储在所述存储器中。

18.根据权利要求10所述的温度控制方法，所述温度控制方法还包括：

零交叉信号感测步骤，其中，零交叉信号表明感测到所述电源的电压为0，

其中，当在所述零交叉信号感测步骤中感测到所述零交叉信号时，执行所述周期计数步骤。

19.根据权利要求17所述的温度控制方法，其中，当在所述周期更新步骤中将所述周期计数值更新为0并且开始新的可变周期时，

在所需输出计算步骤中，在先前可变周期中在所述存储器中存储有所述不足输出值的条件下，则基于所述不足输出值和所述比例-积分-微分控制PID控制值来计算新的所需输出值。