[發明專利]用于操作工業過程的方法

有效

• 申請號: 201080057477.3
• 申請日: 2010-12-10
• 公開（公告）號: CN102656661A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: C·托默;M·格呂克
• 申請（專利權）人: 許廷格電子兩合公司
• 主分類號: H01J37/32
• 分類號: H01J37/32;H05B6/02;H05H1/46;H02M1/32
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 張偉;王英

技術領域

本發明涉及一種用于操作等離子裝置、感應加熱裝置或激光激發裝置的方法。

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或氣體激光器的激發之類的工業過程，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力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單元內的晶體管模塊。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增加。因而，對于個體晶體管的可靠性的需要呈指數增加，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。在工業過程中，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工業過程中已知的方法。在該情況下，例如，在感應加熱過程中，當工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時，改變輸出功率。當利用激光處理工件時，例如，當變更將要處理的工件時，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，該內部機械張力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，這導致進一步的機械張力。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力和運動。

發明內容

本發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裝置的方法來實現的，在功率輸出時間段ΔT₁產生第一功率P_OUT1.1，并將第一功率P_OUT1.1在功率發生器的功率輸出端釋放，該功率發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過程，并且通過控制功率發生器的至少一個半導體開關元件在脈沖中斷時間段ΔT₂，在功率發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過程的觸發或操作的功率P_OUT2.1，在產生第一功率P_OUT1.1的同時，在功率輸出時間段ΔT₁期間，在該至少一個半導體開關元件中產生第一功耗P_V1，并且在脈沖中斷時間段ΔT₂期間，在該至少一個半導體開關元件中產生第二功耗P_V2，并且產生的功耗P_V1、P_V2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交替進行。