JP5575266B2 - 工業プロセスの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ装置、誘導性加熱装置またはレーザ励起装置の駆動方法に関する。

誘導性加熱またはプラズマ励起またはガスレーザ励起のような工業プロセスのための交流電力、とりわけ高周波電力を形成するために、増幅管を備える交流電力形成装置が以前から良く使用されている。その理由はとくに、増幅管が高速の負荷変化に対して頑強であることである。しかしそのような増幅管を備える交流電力形成装置の効率は悪く、増幅管は消耗する。そのためこの交流電力形成装置を半導体スイッチ素子によって動作するものに置換しようとする試みがますます増えている。半導体スイッチ素子はたとえばトランジスタである。ここで現在入手可能なトランジスタにより、１トランジスタ当たり約５００Ｗまでの電力を形成することができる。しかし数キロワットからメガワットまでの電力が必要である。そのような電力を形成するためには、複数のトランジスタをトランジスタモジュールにまとめなければならず、これが電力変換ユニットに組み込まれる。加えて複数の電力変換ユニットを接続して交流電力形成装置を構成しなければならない。これにより、それぞれキロワットが要求される交流電力形成装置内のトランジスタ数が少なくとも２つ多くなる。そのため個々のトランジスタの信頼性に対する要求が何倍も高くなる。なぜならいずれのトランジスタが故障しても、交流電力形成装置全体の停止に至り得るからである。工業プロセスでは交流電力形成装置が、秒クロックから数μｓクロックまでの非常に異なるパルス周波数でパルス駆動されることがしばしばである。このときトランジスタはしばしば３ＭＨｚ以上の高周波で駆動される。出力電力の変調も工業プロセスで公知の方法である。ここでたとえば誘導性加熱の場合には、加工品が所定の温度に達すると出力電力が変化され、それから保持されるかまたはわずかに変化される。レーザにより加工品を処理する場合には、処理すべき加工品を交換する際に電力を必要としない長時間のオフ時間またはスタンバイ時間をレーザ変換器は切り抜けなければならない。

たとえばトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチ素子またはそれらから構成されたトランジスタモジュールは、たとえば１００Ｗ以上の大きな電力を形成するために大電流で駆動される。そのためしばしば早期に故障する傾向がある。とりわけ半導体スイッチ素子がパルス電力変化により運転される場合がそうである。これはとくに２つの現象によるものである。１つは半導体スイッチ素子に使用される材料（たとえば基板、半導体層、ボンディングワイヤ）の熱膨張係数が異なることである。半導体スイッチ素子のすべての部分が同じ温度に均等に加熱されたとしても、材料の熱膨張が異なるため内部に機械的応力が生じ、これが時間の経過と温度による伸長運動とともに亀裂や故障を引き起こす。もう１つはとりわけ構成部品が急激に冷却される際の温度分布が異なることである。半導体スイッチ素子により１００Ｗ以上の電力を形成する際には、通例、半導体スイッチ素子を強制的に冷却することが絶対に必要である。すなわち強制空気流による冷却または液冷が必要である。このときにたとえば半導体スイッチ素子の半導体層から冷却プレートまでに温度勾配が発生する。すなわち温度分布が異なるため、上記の負荷がさらに付加的な負荷となる。このときさらに半導体スイッチ素子の表面には均一でない温度分布が存在し、これも同様に機械的応力を引き起こす。

温度変動が存在していると半導体スイッチ素子の故障が生じる。電力形成モードでは半導体スイッチ素子が熱くなり、上記の現象が発生する。しかし２つの電力形成モードの間では冷却が行われ、これはさらなる機械的応力を引き起こす。電力形成モードとその間の休止とでは常に変化が生じ、したがって温度に起因する機械的応力と運動が常に生じる。

本発明の課題は、半導体スイッチ素子を使用してパルス電力出力運転を行うプラズマ装置、誘導性加熱装置、またはレーザ励起装置の駆動方法を提供することである。

この課題は、パルス電力出力運転を行うプラズマ装置、誘導性加熱装置またはレーザ励起装置の以下の駆動方法によって解決される。すなわち、第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}を第１の電力出力時間ΔＴ_１で形成し、プラズマプロセス、誘導性加熱プロセスまたはレーザ励起プロセスの電力供給のために電力発生器の電力出力端に送出し、パルス休止時間ΔＴ_２では、プラズマプロセス、誘導性加熱プロセスまたはレーザ励起プロセスの電力供給に適した電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}を、前記電力発生器の少なくとも１つの半導体スイッチ素子を制御することにより前記電力発生器の電力出力端に送出せず、前記電力出力時間ΔＴ_１中に前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}を形成するのと同時に少なくとも１つの半導体スイッチ素子で第１の損失電力Ｐ_Ｖ１を形成し、前記パルス休止時間ΔＴ_２中に少なくとも１つの半導体スイッチ素子で第２の損失電力Ｐ_Ｖ２を形成し、形成された損失電力Ｐ_Ｖ１，Ｐ_Ｖ２を熱に変換し、半導体スイッチ素子の温度が所定の値以上に低下するのを、前記半導体スイッチ素子の適切な制御によって阻止し、電力出力モードとパルス休止モードとを常時交番させるのである。

したがって電力が出力端に送出されないか、わずかな電力しか送出されない場合、半導体スイッチ素子において損失電力が所期のように高められ、プラズマプロセスが点弧されないかまたは生ぜず、誘導性加熱プロセスまたはレーザ励起プロセスを駆動することができる。従来の形式によれば第１の電力を形成する際に、第１の損失電力が半導体スイッチ素子において熱に変換される。効率が変化しないことを前提にすれば、第２の低い電力を形成する際には比較的低い損失電力が熱に変換される。このことは電力が形成されないときに重大な結果となる。すなわち、従来の方法によれば損失電力が熱に変換されず、半導体スイッチ素子が冷却されない。たとえば第１の電力への次の電力上昇の際に、再び加熱されることとなる。そして半導体スイッチ素子に対して有害な機械的熱膨張応力による負荷が生じる。ここに記述する方法により、半導体スイッチ素子において損失電力が、すなわちパルス休止時間中に形成される熱発生が所期のように高められる。これにより電力変化の間の温度差が小さくなり、脆弱な半導体スイッチ素子に対して重大でなくなる。この方法は、効率の最大化と損失電力の最小化の目的に反するものである。それにもかかわらずこの方法は大きな利点を提供する。なぜなら半導体スイッチ素子の故障の現象は、損失電力をさらに低減するよりもユーザフレンドリーであり、より安価であることが判明したからである。さらに第１の損失電力Ｐ_Ｖ１のさらなる低減に努めることで、損失電力減少の目的を適切に処理することができる。半導体スイッチ素子は、ＩＧＢＴもしくはＭＯＳＦＥＴのようなトランジスタまたは制御入力端を備えるダイオードであり、導通状態から阻止状態にもたらすことができる。オプションとして半導体スイッチ素子を少なくとも短時間、部分的に導通状態にもたらすことができる。

好ましくはパルス休止中、Ｐ_{ＯＵＴ２，１}がゼロＷであれば、同様にゼロより大きな第２の損失電力Ｐ_Ｖ２が形成され、半導体スイッチ素子で熱に変換される。

半導体スイッチ素子は、制御回路からの制御信号によって制御することができる。

本発明の方法の利点は、工業プロセスをパルス電力出力モードで駆動することができることであり、第１の時間インターバルでは所定の電力が出力端から要求され、第２の時間インターバルでは電力が要求されない。すなわち処理すべき加工品、たとえばプラズマの場合はウェハ、コンパクトディスク、ＦＰＤ等が、誘導性加熱の場合は加熱すべき加工品、またはレーザの場合は薄板が交換されるか、または他のプロセスが施される。第１と第２のインターバルは連続的に繰り返される。これは必ずしも固定の周波数により、または設定されたパルス休止により行う必要はないが、制御により前もって分かっている。本発明の方法により、とくに脆弱な構成部材における温度変動を低減することができる。とりわけ脆弱な構成部材がパルス休止中に、すなわち出力電力が必要でないインターバルの間に過度に冷却されることを阻止することができる。まず第１に、所定の最高温度を上回らないようにするのではなく、とくに脆弱な構成部材においてパルス休止時間中の温度低下を小さくするのである。

しかしいくつかの工業プロセスでは、電力出力時間とパルス休止時間とを、プラズマ装置、誘導性加熱装置またはレーザ励起装置によって所定の周波数ｆｐで交番させるのが有利な場合もある。

本発明の方法は基本的に、交流電力が給電される工業プロセスにも、直流電力が給電される工業プロセスにも適用することができる。工業プロセスが交流電力を必要とする場合、電力出力時間中に交流電力を周波数ｆｎ＞ｆｐで形成すると有利である。そして電力出力時間中に交流電力が供給される。半導体スイッチ素子が配置されている電力発生器の出力端では、パルス状の交流電力が出力される。

ここで周波数ｆｐは０．０１Ｈｚ〜５０ｋＨｚの範囲にある。

第１の損失電力Ｐ_Ｖ１は、第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に対する所定のまたは測定された値から求めることができ、調整すべき第２の損失電力Ｐ_Ｖ２は前記求められた第１の損失電力Ｐ_Ｖ１に基づいて決定することができ、少なくとも１つの半導体スイッチ素子を第２の損失電力Ｐ_Ｖ２の形成のために制御することができる。これにより第１の損失電力Ｐ_Ｖ１を測定する必要がない。測定は非常に煩雑であり、非常に迅速に行わなければならない。すなわち半導体スイッチ素子の近傍で行われる。第１の損失電力Ｐ_Ｖ１は、半導体スイッチ素子を制御する制御回路によって決定することができる。制御回路は、第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に対する目標値が設定されるとこの第１の電力を調整するように構成することができる。制御回路は、第１の損失電力Ｐ_Ｖ１を決定するように構成することができる。そのために制御回路は、データテーブルにアクセスし、または数式に基づいて計算し、またはファイルされた関数に基づいて決定することができる。第２の所定の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}に対しては、制御回路により設定Ｐ_Ｖ２＞Ｐ_Ｖ１＊（Ｐ_{ＯＵＴ２，１}）に基づいて損失電力Ｐ_Ｖ２を決定し、半導体スイッチ素子を対応して制御することができる。すなわち第２の損失電力Ｐ_Ｖ２と第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}が形成される。制御回路は、Ｐ_Ｖ２に関連するパラメータを測定することなしにＰ_Ｖ１を調整するためにすべての情報にアクセスすることができる。

この方法は、第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に割り当てられた値をデータメモリから読み出すことにより第１の損失電力Ｐ_Ｖ１が決定されることを特徴とすることができる。制御回路は、デジタル信号またはアナログ信号とデジタル信号を処理し、データを処理し、または計算を行い、半導体スイッチ素子を制御する制御信号を発生することを特徴とすることができる。

第２の損失電力Ｐ_Ｖ２は、以下の１つまたは複数の値に依存して調整することができる。
・電力出力時間の長さ
・パルス休止時間の長さ
・電力の時間経過
・半導体スイッチ素子における損失電力の時間経過
・求められた温度または温度経過
・求められた電圧値または電圧経過
・求められた電流値または電流経過
・交流電力経過、半導体スイッチ素子における損失電力経過、温度経過、電圧経過または電流経過の時間導関数。

第２の損失電力Ｐ_Ｖ２を調整するために、たとえば交流電力形成装置のハウジング内の環境温度、冷却装置、冷却プレートまたは冷却媒体の温度、または半導体スイッチ素子の温度を考慮することができる。半導体スイッチ素子の温度として、直接近傍の温度、たとえば半導体スイッチ素子上の温度または所定の間隔を置いた温度、たとえば半導体スイッチ素子のハウジング上の温度を使用することができる。これらの温度は測定することができ、第１または第２の時間インターバルと組み合わせて第２の損失電力Ｐ_Ｖ２の調整のために使用することができる。信号が変調される場合、とりわけ交流電力の時間経過、半導体スイッチ素子または電力変換ユニットの出力端における所定の電圧の時間経過、または第２の損失電力Ｐ_Ｖ２を調整するための半導体スイッチ素子を流れる電流の時間経過を考慮することができる。前記のデータはすべてメモリにファイルすることができ、メモリには制御回路が第２の損失電力Ｐ_Ｖ２の決定のためにアクセスすることができる。データは周期的にリングメモリにファイルすることができ、所定のデータ量に達すると上書きすることができる。そうすれば制御回路は、第２の損失電力Ｐ_Ｖ２の調整に重要な目下のデータに常にアクセスすることができる。これらすべての値は個別にもしくは互いに組み合わせて、またはＰ_{ＯＵＴ，１，１}、Ｐ_{ＯＵＴ２，１}、Ｐ_Ｖ１に対する前記値もしくはそれら値の時間導関数とともに判断のために使用することができる。

第２の損失電力Ｐ_Ｖ２は、第１の損失電力Ｐ_Ｖ１と同じ大きさにすることができる。これが通例の達成すべき場合である。なぜなら半導体スイッチ素子に温度差がまったく発生していないこと前提にできるからである。

第２の損失電力Ｐ_Ｖ２は、第１の損失電力Ｐ_Ｖ１の±５０％、または±３０％、または±２０％の大きさにすることができる。目標Ｐ_Ｖ２＝Ｐ_Ｖ１に達するには、場合により非常に面倒なことがある。したがって特定の条件下では、調整のために広い限界を含むのが有利である。これは環境温度または冷却媒体の温度に依存して行うこともできる。なぜなら半導体スイッチ素子に対する故障リスクは、温度変化が同じ場合には、絶対温度が高いほど大きくなるからである。半導体スイッチ素子は、第２の損失電力Ｐ_Ｖ２が第１の損失電力Ｐ_Ｖ１よりも大きくなるように制御すべきであるが、これは本来有利なことではない。なぜなら故障の信頼性に対する利点がなく、損失電力が不利にも大きくなるからである。しかしこれが所定の限界内で行われ、不精度の理由から損失電力の決定の際のコストを同時に低く抑えるために行うのであれば、これは有利であり得る。

変形方法によれば、少なくとも１つの半導体スイッチ素子が、電力出力期間ΔＴ_１中にオン抵抗Ｒ_ｏｎのある導通状態と、オフ抵抗Ｒ_ｏｆｆのある阻止状態とに複数回制御され、パルス休止時間ΔＴ_２中に少なくとも一時的に移行抵抗Ｒ_ｖのある部分的導通状態に制御される。ここでは抵抗に対してＲ_ｏｎ＜Ｒ_ｖかつＲ_ｖ＜Ｒ_ｏｆｆが成り立つ。通常、半導体スイッチ素子を導通状態と非導通状態との間で往復切り替えし、その間にある部分的導通状態をできるだけ短くしようと努め、それにより半導体スイッチ素子に生じる損失電力をできるだけ小さくする。Ｒ_ｏｎが非常に小さいと、半導体スイッチ素子を介してわずかな電圧しか降下せず、損失電力が小さくなる。またＲ_ｏｆｆが非常に大きいと、わずかな電流しか半導体スイッチ素子を介して流れず、同様に損失電力が小さくなる。しかしある程度の損失電力を得るためには、すでに述べたように半導体スイッチ素子を意図的に少なくとも一時的に部分的導通状態にもたらして維持することに意味がある。この状態では、電流Ｉまたは電圧Ｕが既知であれば損失電力を非常に正確に調整することができる。抵抗Ｒ_ｖが対応して調整されれば、損失電力Ｐ_Ｖ２＝Ｕ^２／Ｒ_ｖまたはＰ_Ｖ２＝Ｉ^２＊Ｒ_ｖが調整される。

変形方法によれば、少なくとも１つの半導体スイッチ素子がパルス休止時間ΔＴ_２中に、第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}がゼロであり、第１の損失電力Ｐ_Ｖ１と第２の損失電力Ｐ_Ｖ２とが係数２を超えて異ならないように制御される。これは典型的な適用事例において、是認できるコストと、半導体スイッチ素子の故障リスクの十分な低減との非常に上手い妥協である。

さらに少なくとも１つの半導体スイッチ素子を電力出力時間ΔＴ_１中にスイッチオンインターバルΔＴ_ｏｎ１の間、導通状態に、スイッチオフインターバルΔＴ_ｏｆｆ１の間、阻止状態に制御し、パルス休止時間ΔＴ_２中にスイッチオンインターバルΔＴ_ｏｎ２の間、導通状態に、スイッチオフインターバルΔＴ_ｏｆｆ２の間、阻止状態に制御し、ΔＴ_ｏｎ２をΔＴ_ｏｎ１より小さくする。ΔＴ_ｏｎ２は、半導体スイッチ素子が十分に電流を導くが、出力端に電力が形成されないように小さく選択することができる。このことは技術的に可能である。なぜなら、電流が半導体スイッチ素子の出力端で検知されるか、または出力端で電圧変化が生じる前に、多数の半導体スイッチ素子のスイッチオンの際に電荷担体が半導体層内でまず配転されなければならないからである。この電流は、半導体スイッチ素子内に損失電力を引き起こす。これをＰ_Ｖ２の調整に利用することができる。しかしΔＴ_ｏｎ２は比較的に長く、しかし半導体スイッチ素子の出力端に形成された短い電力パルスが後続の出力回路、たとえばフィルタ素子を通過しないように、または強く減衰されるように常に小さく選択することができる。所望の損失電力Ｐ_Ｖ２を形成するための短いパルスΔＴ_ｏｎ２が十分でない場合、複数のこのパルスを所定のまたは可変の周波数で形成することができる。

少なくとも１つの別の半導体スイッチ素子を制御することにより、電力出力時間ΔＴ_１中に別の第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，２}を、パルス休止時間ΔＴ_２中に別の第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，２}を形成することができる。別の第１と第２の電力はそれぞれ固有の電力変換ユニットで形成することができる。複数の電力変換ユニットにより形成された電力は１つの出力電力に統合接続することができる。これは後続のプロセスで行うことができる。このような方法は複数の利点を有する。まずさらに多くの電力を電力変換ユニットで形成して、それを統合接続すれば、比較的に大きな出力電力を達成することができる。しかし故障安全性は非常に重要である。なぜなら１つの半導体スイッチ素子の故障が電力形成装置全体の故障を引き起こし得るからである。さらにこのような方法は、半導体スイッチ素子が低められた出力電力（たとえばＰ_{ＯＵＴ２，１}、Ｐ_{ＯＵＴ２，２}）を形成し、同時に同じ程度だけ低められた損失電力（たとえばＰ_Ｖ２）を形成するようにこの半導体スイッチを制御することができるという利点を提供する。このことは本発明の課題を比較的小さな構成部材コストで解決する。このように機能するのは、低められた出力電力を形成するために２つの半導体スイッチ素子を、これらが互いを負荷するように制御できるからである。さらに統合接続は電力カプラを介して、反射電力に対する高い障害安全性を提供する。これにより半導体スイッチ素子は付加的に保護される。

少なくとも１つの半導体スイッチ素子と、少なくとも１つの別の半導体スイッチ素子とはそれぞれ固有の制御スキームにしたがって制御され、これらの制御スキームは異なる。とりわけ電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}とＰ_{ＯＵＴ１，２}を形成する間の制御スキームは同じとすることができ、電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}とＰ_{ＯＵＴ２，２}を形成する間は異なることができる。このようにして制御スキームが同じときには、とくに損失の少ない対称制御を行うことができ、制御スキームが異なるときには、意図的に損失電力を増やした非対称の制御を行うことができる。可能な制御スキームは、たとえばパルス幅制御、位相シフト制御、または周波数制御とすることができる。

この方法は、半導体スイッチ素子が電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}とＰ_{ＯＵＴ１，２}の形成の際には別の第１の制御スキームにしたがって制御され、電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}とＰ_{ＯＵＴ２，２}の形成の際には別の第２の制御スキームにしたがって制御されることを特徴とすることができ、これらの制御スキームは異なる。このようにして別の第１の制御スキームは形成する損失がとくに小さい制御スキームとし、別の第２の制御スキームは半導体スイッチ素子に所期のように制御可能な損失電力を生じさせることができる。ここで可能な制御スキームは、たとえばパルス幅制御、位相シフト制御、または周波数制御とすることができる。

この方法は、第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}と別の第１の電力_{ＰＯＵＴ１，２}との第１の位相関係が調整され、第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}と別の第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，２}との、前記第１とは異なる第２の位相関係が調整されることを特徴とする。このような方法により、第２の損失電力Ｐ_Ｖ２をとくに正確に反復して形成することができる。このことは確かに開発コストと較正コストを必要とするが、非常に汎用的であり、信頼性を以て使用することができる。

第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に関連するパラメータを測定手段により検出し、目標値に制御することができる。パラメータはたとえば電力変換器の出力電力、出力電圧または出力電流とすることができる。

本発明の方法を使用すべきか否か、とりわけ所期のように損失電力を形成すべきか否かの判断のために、以下の値および／または以下の値の複数の組合せを利用することができる。
・電力出力時間ΔＴ_１の長さ
・パルス休止時間ΔＴ_２の長さ
・電力の時間経過
・半導体スイッチ素子における損失電力の時間経過
・求められた温度または温度経過
・求められた電圧値または電圧経過
・求められた電流値または電流経過
・電力経過、半導体スイッチ素子における損失電力経過、温度経過、電圧経過または電流経過の時間導関数。この措置は独立した発明とみなされる。たとえばパルス休止が非常に短いか、または電力変化が非常に小さい場合、本発明の意図的に損失電力を形成する方法を適用することには意味がない。しかしパルス休止が所定の長さを上回るか、または電力変化が所定の閾値を上回るときには意味がある。

本発明のさらなる特徴および利点は、本発明の詳細を示す図面に基づいた本発明の実施例の以下の説明から明らかとなる。そこに図示された特徴は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の特異性が明確に分かるようにされている。種々の特徴はそれ自体個別にも、本発明の変形実施例での任意の組合せでも実現することができる。

図面には本発明の実施例が示されており、以下の記載で詳細に説明する。

交流電力形成装置を示す図である。 ２つの電力変換ユニットを備える交流電力形成装置を示す図である。 ２つのフルブリッジ電力変換ユニットと３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラとを備える交流電力形成装置を示す図である。 ２つのハーフブリッジ回路を備える交流電力形成装置を示す図である。 パルスモードでの基本的電力経過と変調モードでの基本的電力経過を示す図である。 ２つのクラスＥインバータを備える交流電力形成装置を示す図である。 電力出力モードでの交流電力を形成するための時間経過を示す図である。 パルス電力出力モードでの交流電力を形成するための時間経過を示す図である。

図１には、高周波電力形成装置とすることのできる交流電力形成装置５が示されている。この電力形成装置５は電力変換ユニット７を有し、この中には少なくとも１つの半導体スイッチ素子９が配置されている。これは頻繁に使用される３つの半導体スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ＳＣＲ）について３つの異なるシンボルにより表されており、ここでは様々なやり方で接続することのできる可能なすべての半導体スイッチ素子が意味されていると理解すべきである。電力変換ユニット７はたとえばハーフブリッジまたはフルブリッジであり、クラスＥまたはクラスＤのインバータを有する。半導体スイッチ素子９を冷却装置１７により冷却することができる。冷却装置はたとえば、空気または液状冷却媒体への熱放出部を備える冷却体とすることができる。半導体スイッチ素子９は制御回路１１により制御される。形成された電力、ここではとりわけ高周波の交流電力が交流電力形成装置５の出力端１４に送出される。温度を種々の点で測定することができる。第１の温度センサ１は交流電力形成装置５のハウジング内の環境温度を測定することができ、第２の温度センサ１９は冷却装置１７の温度を測定することができ、第３の温度センサは半導体スイッチ素子９の温度を測定することができる。電力、電圧および電流も同様に求めることができ、このことは測定センサ２１により示されている。これら電気パラメータの測定は交流電力形成装置５の出力端１４で行うことができる。または電力変換ユニット７の出力端または半導体スイッチ素子９の１つで行うこともできる。

制御回路１１は監視制御回路１５を有する。この監視制御回路１５は、半導体スイッチ素子９を制御するために適切な制御信号を形成するため制御回路１１を調整することができる。制御信号は、半導体スイッチ素子９の損失電力を所期のように調整するために形成することができる。このことは、第１の電力形成および出力端への電力出力の際に、第１の損失電力Ｐ_Ｖ１が半導体スイッチ素子９で熱に変換されるように行われる。第１の電力形成に対して小さい第２の電力形成および出力端１４への電力出力の際には、第２の損失電力Ｐ_Ｖ２が半導体スイッチ素子９で熱に変換される。ここではＰ_Ｖ２＞Ｐ_Ｖ１＊（Ｐ_{ＯＵＴ２，１}／Ｐ_{ＯＵＴ１，１}）が当てはまり、Ｐ_{ＯＵＴ２，１}は好ましくは０Ｗの領域にある。このような構成またはこのような方法により、少なくとも１つの半導体スイッチ素子９を、頻繁な温度変化および／または大きな温度変化による早期の損傷から保護することができる。同時にこのような構成はエネルギーを節約する。なぜなら損失電力は、課題を解決するために必要な程度しか高められないからである。対応する措置または装置が第１の損失電力Ｐ_Ｖ１をさらに低減することができれば、第２の損失電力も対応して低減するために制御を対応して調整することができる。

制御回路１１は、たとえば出力端１４での出力電力を調整または制御するために目標値２２を設定することができる。

監視制御回路１５は、データメモリ３４とプログラムメモリ３５を備えるデジタルデータ処理装置３３を有することができ、第１の交流電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}から第１の損失電力Ｐ_Ｖ１を求める。

監視制御回路１５は第２の損失電力Ｐ_Ｖ２を求めるために第１の損失電力Ｐ_Ｖ１を測定技術的に求める必要はなく、データ処理装置３３、データメモリ３４およびプログラムメモリ３５を用いてファイルされたデータ状態から高速かつ確実に求めることができる。そして監視制御回路１５は、第２の損失電力Ｐ_Ｖ２を形成するための制御信号の形成のために制御回路１１を調整する。

デジタルデータ処理装置３３には、損失電力Ｐ_Ｖ２を求めるための多数のタスクとそのための制御信号が、このデジタルデータ処理装置が所定時間内で処理できる限りにおいて伝送される。デジタルデータ処理装置は、較正過程または動作中に求められたデータの記憶、ロードおよび処理も引き受けることができる。損失電力が追従しなければならない速度は、とりわけ構成部材の大きさ、伝熱性および冷却率に依存する。１ｋＷ以上の電力領域で通常使用される構成部材では、構成部材を損傷から保護するために１００μｓから１００ｍｓの応答時間で十分である。したがってこのタスクのためには中程度の速度のデータ処理装置を使用することができ、このデータ処理装置はさらの他の制御タスクを引き受けることもできる。

図２には、２つの電力変換ユニット７、８を有する交流電力形成装置５が示されている。２つの電力変換ユニット７、８も同様に、少なくとも１つの半導体スイッチ素子９、冷却装置２７および温度センサ２５，２６を有する。電力変換ユニット８も同様にハーフブリッジまたはフルブリッジであり、クラスＥまたはクラスＤのインバータを有する。電力変換ユニット７、８の出力電力は電力カプラ１２に供給される。この電力カプラ１２はたとえば電力カプラ（伝送線路カプラ）、ウィルキンソンカプラまたは３ｄＢカプラのような９０°ハイブリッドカプラとすることができる。しかし２つの電力を結合するのに他の結合技術を使用しても良い。９０°ハイブリッドカプラは、２つの入力信号の位相位置に関係なく２つの信号を結合し、位相に関係なく２つの異なる出力端に供給するという利点を有する。たとえば２つの電力変換器７、８の出力信号（カプラ１２の入力信号に対応する）の位相の変化によって、半導体スイッチ素子９、１０での損失電力を出力電力が異なってもカプラの出力端で一定に保持することができる。このことは、半導体スイッチ素子９、１０により一定の出力電力と損失電力が形成されるが、カプラ１２の電力出力端で異なる電力を形成するために位相は変化されることにより行われる。カプラ１２の他方の出力端に送出される電力は、直流電力に変換することができ、交流電力形成装置５に入力電力としてさらに提供することができる。電力カプラ１２にはさらに処理回路１３を接続することができる。この処理回路はたとえば、インピーダンス変換装置またはフィルタまたは過電圧保護装置とすることができる。さらに測定装置２１、たとえば方向性結合器を設けることができる。この測定装置は、出力端１４の出力電力、たとえば送り電力と戻り電力を求めるために、または電流、電圧および電流と電圧の間の位相を求めるために、および出力端１４のインピーダンスを求めるために使用することができる。電圧および／または電流の測定は、電力変換器７、８内でも、とりわけ半導体スイッチ素子９、１０でも行うことができる。形成された測定信号は制御回路１１に供給することができる。

電力変換器７、８に使用される半導体スイッチ素子９、１０は、所定の時間インターバルの間に部分的に導通状態にすることができる。このような装置により、部分的導通状態の抵抗を簡単に制御できなくても、半導体スイッチ素子を簡単かつ正確に制御回路によって所望の損失電力レベルにもたらすことができる。損失熱を時間にわたり均等に分散して形成するために、半導体スイッチ素子を短時間の間に複数回、部分的導通状態にもたらすことができる。そのためのデータは監視制御回路１５のデータメモリ３４にファイルすることができる。

電力変換ユニット７、８の半導体スイッチ素子９、１０は、部分的導通状態にもたらすことができ、この状態で半導体スイッチ素子は制御回路１１により設定可能な抵抗Ｒ_Ｖを有する。このような装置により、半導体スイッチ素子を簡単にかつ正確に制御回路によって、部分的導通状態の持続時間を簡単に制御できなくても所望の損失電力レベルにもたらすことができる。そのためのデータは監視制御回路１５のデータメモリ３４にファイルすることができる。

電力変換ユニット７、８の半導体スイッチ素子９、１０は阻止状態から別の阻止特性を有し、同時に損失電力の熱への変換が行われる状態にもたらすことができる。これは、多数の半導体スイッチ素子９、１０が阻止状態から導通状態への制御の際に内部の電荷担体を配転するためにある程度の時間を必要とするので技術的に可能である。この時間の間、半導体スイッチ素子は阻止状態に留まる。しかし電荷担体の配転は半導体スイッチ素子９、１０内に損失電力を形成する。このような装置により半導体スイッチ素子９、１０を簡単かつ正確に、制御回路によって所望の損失電力レベルにもたらすことができる。そのような特性についてのデータは監視制御回路１５のデータメモリ３４にファイルすることができる。

電力変換ユニット７、８の半導体スイッチ素子９、１０は導通状態から、別の導通特性を有していて同時に損失電力の熱への変換が行われる状態にもたらすことができる。これは、多数の半導体スイッチ素子９、１０が導通状態から阻止状態への制御の際に内部の電荷担体を配転するためにある程度の時間を必要とするので技術的に可能である。この時間の間、半導体スイッチ素子は導通状態に留まる。しかし電荷担体の配転は半導体スイッチ素子９、１０内に損失電力を形成する。このような装置により半導体スイッチ素子９、１０を簡単かつ正確に、制御回路によって所望の損失電力レベルにもたらすことができる。そのような特性についてのデータは監視制御回路１５のデータメモリ３４にファイルすることができる。

電力変換ユニット７、８の半導体スイッチ素子９、１０は、少なくとも時間インターバルΔＴ_ｏｎの間、導通状態にすることができる。この時間インターバルΔＴ_ｏｎは交流電力形成装置により形成される周波数の持続期間の４分の１より短い。このような装置により半導体スイッチ素子９、１０を簡単かつ正確に、制御回路によって所望の損失電力レベルにもたらすことができる。そのためのデータは監視制御回路１５のデータメモリ３４にファイルすることができる。

図３には交流電力形成装置５、この場合はフルブリッジとして構成されたそれぞれ２つの電力変換ユニット７、８を有する高周波電力形成装置が示されている。すでに上に述べた素子に対応する素子には同じ参照符合が付してあり、再度説明しない。電力カプラ１２は３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラであり、その第２の出力端には調整抵抗２４が接続されている。加えてここには直流供給装置６ａ，６ｂが示されており、これらは交流電力形成装置５の一部である。これらはもちろん２つの電力変換ユニット７、８に給電する共通の直流供給装置６にまとめることができる。これらは交流電力形成装置５の外に配置することもできる。

図４には交流電力形成装置５、この場合はハーフブリッジとして構成されたそれぞれ２つの電力変換ユニット７、８を有する高周波電力形成装置が示されている。すでに上に述べた素子に対応する素子には同じ参照符合が付してあり、再度説明しない。電力カプラ１２は、結合インダクタンスと中間タップ２９を有する変圧器アセンブリとして構成されている。中間タップ２９は、２つの調整素子３０，３１の間の接続点３２に接続されており、２つの調整素子３０，３１は直流供給装置６に接続されている。ここでも２つの電力変換ユニット７、８における制御スキームを変更することにより出力電力を変化することができ、同時に半導体スイッチ素子９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂにおける損失電力を本発明により制御することができる。半導体スイッチ素子１０ａ，１０ｂの制御信号の位相に対する半導体スイッチ素子９ａ，９ｂの制御信号の位相変化は、出力端１４における出力電力の変化に作用する。出力端１４で高い電力を達成すべき場合、半導体スイッチ素子は、電流が半導体スイッチ素子９ａ，１０ｂを介して、続いて半導体スイッチ素子９ｂ，１０ａを介して交互に流れるように制御される。出力端１４で低い電力を達成すべき場合、制御の位相は、電流が周期的に半導体スイッチ素子９ａ，１０ｂ、続いて９ａ，１０ａ、そして９ｂ，１０ａ、次に９ｂ、１０ｂを介して流れ、再び９ａ、１０ｂを介して流れるように変化される。この「位相シフト法」と称される制御スキームは、ここでは好ましくは半導体スイッチ素子９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂにおける損失電力を制御するため使用され、電力カプラ１２と調整素子３０，３１が制御信号と関連して適切に選定される。半導体スイッチ素子９ａ，１０ａと９ｂ，１０ｂを流れる電流は、電流が９ａ，１０ａまたは９ｂ，１０ｂを流れるときでも損失電力を形成するために維持されなければならない。調整素子３０，３１がないと、電力カプラ１２含まれるインダクタンス内で電流が急速に消滅し、半導体スイッチ素子９ａ，１０ｂと９ｂ、１０ｂにおける損失電力の制御が不可能となる。電力カプラ１２を調整素子３０，３１に接続することにより、電流を維持することができる。調整素子３０，３１はたとえば特別に選定したコンデンサとすることができる。この場合、コンデンサには少なくとも理論的に損失電力が形成されず、このことはエネルギー消費に有利に作用する。

図５ａと５ｂには、交流電力と損失電力を形成するための典型的な時間経過が示されている。それぞれ上部の信号経過１は、交流周波数にわたって平均された交流電力信号の値を概略的に示し、この信号は電力変換ユニット７、８の出力端または交流電力形成装置５の出力端で測定することができる。電力出力時間ΔＴ_１の間に第１の（交流）電力Ｐ_ＯＵＴ１が形成され、パルス休止時間ΔＴ_２の間に第２の（交流）電力Ｐ_ＯＵＴ２が形成されるかまたは電力は形成されない。ここでＰ_ＯＵＴ１はＰ_ＯＵＴ２より大きい。同時に少なくとも１つの半導体スイッチ素子では電力出力時間ΔＴ_１の間に第１の損失電力Ｐ_Ｖ１が形成され、パルス休止時間ΔＴ_２の間に第２の損失電力Ｐ_Ｖ２が形成される。このことはそれぞれ信号経過２と３における下方の曲線経過から分かる。信号経過２は、交流電力形成装置５の動作時に損失電力信号が本発明の装置および方法で、どのように経過することができるかを概略的に示す。破線で示した信号経過３は、従来の方法では損失電力信号がどのように経過することになるかを示す。

図６には、クラスＥインバータとして構成された電力変換ユニット７、８をそれぞれ２つ有する別の交流電力形成装置５が示されている。すでに上に述べた素子に対応する素子には同じ参照符合が付してあり、再度説明しない。クラスＥインバータは、すべての制御信号がアースを基準にするので制御回路１１を簡単にする。

図７ａと７ｂおよび図８ａ，８ｂには、交流電力を形成するための典型的な時間経過が示されている。図７ａの上部の信号経過５２および図８ａの上部の信号経過５７は、交流周波数にわたって平均された交流電力信号の値を概略的に示し、この信号は電力変換ユニット７、８の出力端または交流電力形成装置５の出力端で測定することができる。図７ｂの下方の信号経過５４および図８ｂの下方の信号経過５９は、周波数ｆｐと位相時間Ｔｐ＝１／ｆｐの実施例において有効周波数ｆｎにより周期的に変化する交流電力を示し、有効周波数ｆｎはパルス持続期間Ｔｐ＝１／ｆｐより高い。ここで有効周波数は、交流電力が給電される工業プロセスにより設定される。工業プラズマもしくはガスレーザの励起または誘導性加熱プロセスの給電のような高周波適用は、プロセスに依存してユーザにより設定された周波数で動作する。周波数ｆｐもプロセスにより設定することができる。第１の交流電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}は電力出力時間ΔＴ_１の間に、第２の交流電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}はパルス休止時間ΔＴ_２５６の間に形成される。両方の時間の間にそれぞれ損失電力Ｐ_Ｖが形成される。Ｔｐが一定ではなく電力出力時間ΔＴ_１とパルス休止時間ΔＴ_２だけが交番するプロセスも考えられる。出力電力Ｐ_ＯＵＴも必ずしも交流電力である必要はなく、直流電力でも良い。

Claims (17)

1. プラズマ装置、誘導性加熱装置またはレーザ励起装置をパルス電力出力モードで駆動する方法であって、
   第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１} が電力出力時間ΔＴ_１で形成され、プラズマプロセス、誘導性加熱プロセスまたはレーザ励起プロセスの電力供給のために電力発生器の電力出力端に送出され、
   パルス休止時間ΔＴ_２では、プラズマプロセス、誘導性加熱プロセスまたはレーザ励起プロセスの点弧または運転のために適切な第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}が、前記電力発生器の少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９）を制御することにより前記電力発生器の電力出力端に送出されず、
   前記電力出力時間ΔＴ_１中に前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}の形成と同時に少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９）で第１の損失電力Ｐ_Ｖ１を形成し、前記パルス休止時間ΔＴ_２中に少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９）で第２の損失電力Ｐ_Ｖ２を形成し、
   形成された損失電力Ｐ_Ｖ１，Ｐ_Ｖ２が熱に変換され、
   前記半導体スイッチ素子（９）の温度低下が所定の値以上になるのを、前記半導体スイッチ素子（９）の適切な制御によって阻止し、
   電力出力モードとパルス休止モードとが常時交番する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記電力出力時間ΔＴ _１ と前記パルス休止時間ΔＴ _２ とがプラズマ装置、誘導性加熱装置またはレーザ励起装置により設定された周波数ｆｐで交番する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記電力出力時間ΔＴ _１ 中に周波数ｆｎ＞ｆｐで交流電力が形成される、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記ｆｐは０．０１Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲にある、
   請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第１の損失電力Ｐ_Ｖ１は、前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に対する所定のまたは測定された値から求められ、調整すべき前記第２の損失電力Ｐ_Ｖ２は前記求められた前記第１の損失電力Ｐ_Ｖ１に基づいて決定され、少なくとも１つの前記半導体スイッチ素子（９）が前記第２の損失電力Ｐ_Ｖ２の形成のために制御される、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１の損失電力Ｐ_Ｖ１は、前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に割り当てられた値をデータメモリ（３４）から読み出すことにより決定される、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第２の損失電力Ｐ_Ｖ２は、以下の１つまたは複数の値：
   ・前記電力出力時間ΔＴ_１の長さ
   ・前記パルス休止時間ΔＴ_２の長さ
   ・電力の時間経過
   ・半導体スイッチ素子（９）における損失電力の時間経過
   ・求められた温度または温度経過
   ・求められた電圧値または電圧経過
   ・求められた電流値または電流経過
   ・前記電力の時間経過、前記半導体スイッチ素子（９）における損失電力の時間経過、前記温度経過、前記電圧経過または前記電流経過の時間導関数
   に依存して調整される、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２の損失電力Ｐ _Ｖ２ は前記第１の損失電力Ｐ_Ｖ１と同じ大きさである、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９、１０）が前記電力出力時間ΔＴ_１の間に、オン抵抗Ｒ_ｏｎのある導通状態と、オフ抵抗Ｒ_ｏｆｆのある阻止状態とに複数回制御され、
   前記パルス休止時間ΔＴ_２の間に少なくとも一時的に移行抵抗Ｒ_Ｖのある部分的導通状態に切り換えられ、抵抗に対してはＲ_ｏｎ＜Ｒ_ＶかつＲ_Ｖ＜Ｒ_ｏｆｆが成り立つ、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９）は前記パルス休止時間ΔＴ_２中に、前記第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}がゼロであり、前記第１の損失電力Ｐ_Ｖ１と第２の損失電力Ｐ_Ｖ２とが係数２を超えて異ならないように制御される、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９）は前記電力出力時間ΔＴ_１中にスイッチオンインターバルΔＴ_ｏｎ１の間、導通状態に、スイッチオフインターバルΔＴ_ｏｆｆ１の間、阻止状態に制御され、
    前記パルス休止時間ΔＴ_２中にスイッチオンインターバルΔＴ_ｏｎ２の間、導通状態に、スイッチオフインターバルΔＴ_ｏｆｆ２の間、阻止状態に制御され、ΔＴ_ｏｎ２はΔＴ_ｏｎ１より小さい、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 少なくとも１つの別の半導体スイッチ素子（１０）が制御されることにより、前記電力出力時間ΔＴ_１の間には別の第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，２}が形成され、前記パルス休止時間ΔＴ_２の間には別の第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，２}が形成される、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの半導体スイッチ素子（９）と、前記少なくとも１つの別の半導体スイッチ素子（１０）とはそれぞれ固有の制御スキームにしたがって制御され、これらの制御スキームは異なる、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
14. 前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}と前記別の第１のＰ_{ＯＵＴ１，２}の形成の際には前記半導体スイッチ素子（９、１０）が別の第１の制御スキームにしたがって制御され、前記第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}と前記別の第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，２}の形成の際には別の第２の制御スキームにしたがって制御され、これらの制御スキームは異なる、
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
15. 前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}と前記別の第１の電力_{ＰＯＵＴ１，２}との第１の位相関係が調整され、前記第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，１}と前記別の第２の電力Ｐ_{ＯＵＴ２，２}との、前記第１とは異なる第２の位相関係が調整される、
    請求項１から１４までのいずれか１項に記載の方法。
16. 前記第１の電力Ｐ_{ＯＵＴ１，１}に関連する電力が測定手段により検出され、目標値に制御される、
    請求項１から１５までのいずれか１項に記載の方法。
17. 電力、とりわけ高周波電力の形成方法であって、
    請求項１から１６までのいずれか１項に記載の方法を使用するか否かを判断するために、以下の値の１つおよび／または以下の値の複数の組合せ：
    ・前記電力出力時間ΔＴ_１の長さ
    ・前記パルス休止時間ΔＴ_２の長さ
    ・電力の時間経過
    ・前記半導体スイッチ素子（９）における損失電力の時間経過
    ・求められた温度または温度経過
    ・求められた電圧値または電圧経過
    ・求められた電流値または電流経過
    ・前記電力の時間経過、前記半導体スイッチ素子（９）における損失電力の時間経過、前記温度経過、前記電圧経過または前記電流経過の時間導関数、
    を使用する形成方法。

Images