[发明专利]用于操作工业过程的方法

说明书

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。