Эксимерные импульсы 25-200 нс: переключение конденсаторных батарей

Эксимерные импульсы 25-200 нс: переключение конденсаторных батарей

Резюме

Все чаще эксимерные платформы должны использоваться в офтальмологической хирургии с длительностью импульса от 25 до 50 нс, в литографии — от 100 до 150 нс и в микрообработке — от 50 до 200 нс. Реконфигурируемый конденсаторный блок охватывает все три области, переключая емкость при фиксированной индуктивности нагрузки, поскольку ширина импульса следует квадратному корню из произведения. Матрица, которая реконфигурирует блок, должна выдерживать напряжение 30 кВ, ток 16 кА и переход длительностью 10 нс, не теряя заданной ширины.

1. Введение

Традиционно источники питания эксимерных генераторов проектировались на основе одной ширины импульса, соответствующей одной газовой смеси и одному типу применения. Современным системам требуется возможность регулировки ширины импульса с помощью единой платформы.

В офтальмологической хирургии оптимальное время экспозиции составляет от 25 до 50 нс, при этом абляция остается точной, а термическое повреждение — минимальным. Для полупроводниковой литографии требуется от 100 до 150 нс для равномерного экспонирования фоторезиста. В промышленной микрообработке используется время от 50 до 200 нс для различных материалов и размеров элементов.

Создание трех источников питания обходится дорого и занимает много места. Альтернативой является один источник питания с перестраиваемой батареей конденсаторов, переключаемых между значениями емкости, обеспечивающими различную ширину полосы пропускания при одинаковой индуктивности нагрузки.

Переключающая матрица становится критически важной подсистемой. Она работает в диапазоне напряжений от 20 кВ до 40 кВ и токов от 5 кА до 20 кА, и каждый переход должен завершаться за 10–50 нс без искажения формы сигнала.

2. Основной механизм

2.1 Зависимость ширины импульса от емкости блока

Разрядная петля определяет ширину импульса посредством своей индуктивности и эффективной емкости батареи:

τ ≈ π × √(L × C)

где τ — ширина импульса в секундах, L — индуктивность нагрузки и контура в генри, а C — эффективная емкость блока в фарадах.

В петле с индуктивностью 63 нГн три положения блока охватывают весь диапазон. Блок 1 нФ дает время 25 нс, 16 нФ — 100 нс, а 64 нФ — 200 нс.

Поскольку ширина зависит от квадратного корня из емкости, изменение емкости на 1% приводит к изменению ширины на 0.5%:

Δτ / τ = ½ × ΔC / C

где Δτ / τ — относительное изменение ширины импульса, а ΔC / C — относительное изменение емкости.

Квадратный корень играет на руку конструкции. Допуск ±2% на ширину ограничивается ±1%, что находится в пределах допустимых значений для офтальмологических и литографических устройств. Допуск ±5% приведет к отклонению ширины на ±2.5%, что проявится в виде непостоянной глубины абляции или дозы облучения.

2.2 Потери при переключении во время перехода

Во время переключения переключатель одновременно пропускает напряжение и ток, поэтому он мгновенно рассеивает мощность:

P_switch(t) = V_switch(t) × I_switch(t)

где P_switch(t) — мгновенная мощность в ваттах, V_switch(t) — напряжение на переключателе в вольтах, а I_switch(t) — ток через него в амперах.

При линейном переходе потери энергии на один переключатель составляют половину произведения напряжения, тока и времени перехода:

E_switch ≈ ½ × V_bus × I_peak × t_transition

где E_switch — энергия на один переход в джоулях, V_bus — напряжение шины в вольтах, I_peak — ток разряда в амперах, а t_transition — время перехода в секундах.

Таким образом, переход на 30 кВ, передающий 16 кА за 10 нс, обходится в 2.4 мДж на один переключатель. При частоте 6 кГц это составляет 14.4 Вт непрерывного тепловыделения на один переключатель и 86.4 Вт на матрицу из шести переключателей.

В результате доминирует время перехода. Если растянуть его до 50 нс, та же матрица будет рассеивать 432 Вт, что представляет собой тепловую перегрузку, а не запас прочности, предусмотренный проектом.

2.3 Температурный дрейф банка

Изменение емкости под воздействием температуры напрямую влияет на длительность импульса:

ΔC / C = TCC × ΔT

где ΔC / C — относительное изменение емкости, TCC — температурный коэффициент емкости на кельвин, а ΔT — изменение температуры в кельвинах.

Емкость блока с ±30 ppm/°C изменяется на 0.06% при повышении температуры на 20 К, что составляет 0.03% от ширины импульса. Емкость блока с ±500 ppm/°C изменяется на 1% от емкости при том же повышении температуры, что составляет 0.5% от ширины импульса.

Обе величины находятся в пределах ±1%, что уже допускает допуск ±2%, поэтому температурный фактор добавляется к допуску и редко действует самостоятельно.

2.4 Колебания, возникающие при переходном процессе переключения

Переход длительностью 10 нс возбуждает резонанс между индуктивностью шины и емкостью блока:

f_ring = 1 / (2π × √(L_bus × C_bank))

где f_ring — частота колебаний в герцах, L_bus — индуктивность шин и ответвлений в генри, а C_bank — эффективная емкость блока в фарадах.

При содержании десятков наногенри и десятков нанофарад диапазон частот кольца составляет от 5 до 20 МГц. Перерегулирование на конденсаторах достигает 10–20%, что представляет собой переходный процесс, приближающийся к напряжению начала частичного разряда диэлектрика при каждой переконфигурации.

Группа, которая подключается с опозданием, также видит, как кольцо уже проводящих групп находится в проводящем состоянии, поэтому первые микросекунды после реконфигурации несут больше напряжения, чем установившееся состояние.

2.5 Текущее распределение ресурсов между параллельными группами

Параллельно соединенные конденсаторы делят ток разряда на импеданс ветви. В тех случаях, когда эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) различаются в группе, наибольшую долю занимает часть с наименьшим импедансом.

Нагруженная часть нагревается сильнее, её эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС) возрастает, и ток смещается в сторону более холодных частей. За период технического обслуживания в блоке компонентов возникает тепловой дисбаланс, из-за которого одна часть изнашивается быстрее остальных, и разница ЭСС увеличивается в обоих направлениях.

Рис. 1 — На петле 63 нГн диапазон пересекается через 25 нс при 1 нФ, 100 нс при 16 нФ и 200 нс при 64 нФ, поэтому три положения переключателя охватывают весь диапазон.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Потери при переключении относительно теплового предела.

На частоте 6 кГц шестикнопочная матрица рассеивает 86.4 Вт, которые отводит радиатор соответствующего размера. На частоте 10 кГц та же матрица рассеивает 144 Вт.

Там, где приемник не может выдержать такую ​​нагрузку, температура перехода повышается, сопротивление в открытом состоянии возрастает, и вместе с этим увеличиваются потери. В результате выключатель выходит из строя в течение нескольких часов, причем не в полевых условиях, а в мастерской.

Болевой момент 2: Изменение ширины импульса в зависимости от переносимости и температуры.

Отклонение в ±5% приводит к изменению ширины импульса на ±2.5%, и это изменение передается на обрабатываемую деталь в виде изменения глубины абляции или дозы облучения. Высокий температурный коэффициент добавляет к этому медленный дрейф.

Оператор видит нестабильный процесс и осматривает газ или оптику. Причина кроется в конденсаторной батарее и в линии её допуска.

Проблемный момент 3: Переключение переходных процессов, вызывающих резонанс блока.

Переход длительностью 10 нс возбуждает резонанс между индуктивностью шины и емкостью блока на частотах от 5 до 20 МГц. Эти колебания приводят к возникновению перерегулирования на конденсаторах в размере 10–20%.

Каждая переконфигурация вызывает этот переходный процесс, и кумулятивная эрозия от частичного разряда на протяжении миллионов импульсов сокращает срок службы конденсатора. Эти же колебания распространяются и на электронику триггера.

Проблемный момент 4: Неравномерное распределение тока между параллельными группами.

Параллельное соединение ветвей распределяет разрядный ток по импедансу. Без согласования наибольшую долю тока принимает на себя наименее импедансная часть, которая при этом сильнее всего нагревается.

Его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) возрастает, ток смещается к более холодным частям, и в блоке возникает тепловой дисбаланс. Часть, которая изначально имела наименьшее сопротивление, выходит из строя первой.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сокращение потерь при переключении с помощью быстрого переключателя.

Выбирайте SiC MOSFET-транзисторы с временем включения и выключения менее 10 нс. Управляйте ими с помощью драйверов затвора, пиковый ток которых превышает 10 А, чтобы емкость затвора заряжалась достаточно быстро для достижения этого времени перехода.

Чтобы снизить потери проводимости во время разряда, поддерживайте сопротивление в открытом состоянии ниже 50 мОм и повторно проверяйте время перехода после любого изменения параметров управления затвором, поскольку это напрямую увеличивает энергию переключения.

Стратегия 2: Укажите допуск по емкости и температурный коэффициент.

Укажите номиналы конденсаторов блока с допуском ±2%, чтобы ширина цепи не превышала ±1%. Используйте N4700 Диэлектрик I класса с температурным коэффициентом около ±30 ppm/°C, благодаря чему ширина полосы пропускания не изменяется по мере нагревания батареи.

При вводе в эксплуатацию необходимо измерить и подобрать емкость каждого блока, чтобы достичь суммарного допуска ±0.5%. Подбор емкости во время сборки требует одного измерения на каждый блок и исключает необходимость корректировки ширины в программном обеспечении.

Стратегия 3: Сглаживание переходного процесса переключения

Добавьте 0.5 Ом к 2 Ом толстопленочный резистор Резистор последовательно с каждой группой конденсаторов подавляет колебания. Резистор должен удерживать эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 10 нГн, чтобы не увеличивать индуктивность, создающую колебания.

Проверьте демпфирование на полновольтном прототипе в наихудшем положении блока. Положение с емкостью 64 нФ обеспечивает самую низкую частоту колебаний и наибольшую накопленную энергию, и именно в этом положении задается требуемое демпфирование.

Стратегия 4: Соответствовать банку по уровню текущих расходов.

Извлеките все параллельные группы из одной производственной партии, затем измерьте ESR и ESL на частоте 1 МГц и сгруппируйте единицы по измеренным значениям. Сохраняйте симметричность ветвей шины, чтобы каждая ветвь представляла одинаковую паразитную индуктивность для разряда.

A пленочный конденсатор И для керамического блока необходим этот этап согласования. Перед определением состава блока сравните два диэлектрика по измеренным значениям ЭПР и разброса ЭСЛ.

Стратегия 5: Преодоление перерегулирования

Поместите быстровосстанавливающийся диод Для ограничения перерегулирования, вызванного переходным процессом переключения, следует использовать параллельное подключение каждого конденсатора. Выберите компонент с временем обратного восстановления не более 35 нс и достаточно низким зарядом восстановления, чтобы он не вводил ток в зону перерегулирования.

Установите уровень ограничения на 5–8% выше напряжения шины. Этот диапазон охватывает переходные процессы, создаваемые матрицей, и не затрагивает обычные импульсы.

Стратегия 6: Мониторинг температуры переключателя и длительности импульса.

Отслеживайте температуру перехода переключателя и измеренную ширину импульса на каждом импульсе. Повышение температуры переключателя означает увеличение потерь при переключении, а изменение ширины импульса означает смещение емкости блока.

Установите триггер технического обслуживания при отклонении на 10% от базового уровня ввода в эксплуатацию по любому из параметров. Сравните обе кривые перед заменой детали и используйте... дверная ручка конденсаторы на заменяемых позициях, чтобы изменение банка не требовало перепланировки.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для настраиваемых блоков

Выбор параметров на этом узле определяется четырьмя требованиями: достаточно точная емкость, обеспечивающая сохранение заданной ширины, достаточно низкий температурный коэффициент, обеспечивающий одинаковое поведение как в холодном, так и в горячем состоянии, достаточно низкий коэффициент рассеяния, чтобы блок не увеличивал коммутируемую нагрузку мощностью 86.4 Вт, и достаточно низкий уровень частичного разряда, чтобы компенсировать переходный процесс реконфигурации. Компания HVC производит оборудование для этих целей на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Емкость, отсортированная с точностью до ±2%, обеспечивает ширину импульса в пределах ±1%, поэтому настройка ширины не требует корректировки после сборки.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C позволяет поддерживать изменение емкости ниже 0.06% при повышении температуры на 20 К, что составляет 0.03% от ширины пика.
• Коэффициент DF ниже 0.1% позволяет минимизировать потери на разряде по сравнению с потерями на переключение матрицы, поэтому конструкция системы охлаждения соответствует характеристикам переключателей.
• Испытание на 100% частичный разряд при токе 5 пКл или ниже охватывает 10-20% превышение, которое возникает при каждой переконфигурации диэлектрика.
• HVRGHP Демпфирующие резисторы с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн подавляют колебания в цепи, а быстровосстанавливающиеся диоды с временем восстановления от 25 до 35 нс сдерживают перерегулирование.
• Корпуса винтовых клемм до 40 кВ прошли квалификацию в качестве замены японских винтовых конденсаторов Murata в программах полевого ремонта источников света. Компоненты HVC соответствуют параметрам Murata, высоковольтные серии TDK и Vishay.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты – в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в согласовании емкости и ESR, анализе потерь при переключении, а также в проверке конструкции демпфирования и ограничения колебаний.

Отправьте диапазон ширины импульса, индуктивность нагрузки, напряжение шины, ток разряда, частоту повторения и количество положений переключателя. HVC в течение пяти рабочих дней вернет расписание блоков с согласованными группами емкостей и ESR, значение демпфирующего резистора для каждой группы и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как выбрать банковские купюры для заданного диапазона ширины?

Из τ ≈ π × √(L × C). В петле 63 нГн 1 нФ дает 25 нс, 16 нФ — 100 нс, а 64 нФ — 200 нс. Квадратный корень означает, что каждое удвоение ширины импульса требует в четыре раза большей емкости, поэтому расположение блоков охватывает диапазон емкости в 16 раз для восьмикратного увеличения ширины.

Вопрос 2: Сколько энергии стоит одна реконфигурация?

E_switch ≈ ½ × V_bus × I_peak × t_transition. При 30 кВ и 16 кА за 10 нс переход составляет 2.4 мДж на переключатель, или 14.4 Вт среднего тепловыделения при 6 кГц и 86.4 Вт в матрице из шести переключателей. Переход длительностью 50 нс увеличивает эту цифру в пять раз.

В3: Насколько жестким должен быть допуск на емкость?

Практическая цель составляет ±2%. Поскольку Δτ / τ = ½ × ΔC / C, это позволяет поддерживать ширину на уровне ±1%. Допуск в ±5% увеличивает ширину на ±2.5%, что проявляется в изменении глубины абляции или дозы облучения. При вводе в эксплуатацию суммарное значение составляет ±0.5%.

Вопрос 4: Почему бы не переключать банк с помощью реле?

Поскольку переход должен завершиться примерно за 10 нс при токе 16 кА, механические контакты не могут двигаться с такой скоростью, а потери энергии во время медленного перехода возрастают со временем перехода. Именно поэтому в матрице используются SiC MOSFET с временем перехода менее 10 нс и сопротивлением в открытом состоянии менее 50 мОм.

В5: Что вызывает звон после перенастройки?

Индуктивность шины и емкость банка образуют резонансную пару при f_ring = 1 / (2π × √(L_bus × C_bank)), которая находится в диапазоне от 5 МГц до 20 МГц. Переход длительностью 10 нс возбуждает её и вызывает перерегулирование на конденсаторах в размере от 10% до 20%. Последовательный демпфирующий резистор сопротивлением от 0.5 Ом до 2 Ом с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн устраняет большую часть этого перерегулирования.

В6: Как обеспечить равномерное распределение тока между параллельно соединенными конденсаторами?

Согласуйте их по партиям и по измеренным значениям ESR и ESL на частоте 1 МГц, и обеспечьте симметрию ветвей шины, чтобы каждая из них имела одинаковую индуктивность. Без согласования, наименее импедансная часть будет нагреваться сильнее всего, её ESR увеличится, ток переключится на другие ветви, и батарея будет изнашиваться неравномерно.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
8. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), 2022 г., стр. 175-178, 2022 г. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
9. Примечание по применению серии SOPIPM — 3.1.6 Схема демпфированияMitsubishi Electric, https://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/powerdevices/application_notes/SOPIPM_e.pdf .
10. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com