Разработка фильтра электромагнитных помех для источников питания импульсных лазеров эксимерного типа

Разработка фильтра электромагнитных помех для источников питания импульсных лазеров эксимерного типа

Резюме

Наносекундный эксимерный импульс переносит гармоники от постоянного тока до нескольких гигагерц. Фильтр должен удалять эти гармоники, оставляя при этом фронт импульса в 10 нс нетронутым, и эти две цели противоречат друг другу. В этой статье представлены арифметические вычисления спектра импульса, двухступенчатая конструкция фильтра, четыре режима отказа в полевых условиях и параметры конденсатора, обеспечивающие реальное затухание на гигагерцовых частотах.

1. Введение

Источник питания эксимерного лазера генерирует импульс с периодом нарастания от 10 до 50 нс и шириной от 25 до 200 нс. Эта форма сигнала не является синусоидальной, и её спектр простирается от постоянного тока до нескольких гигагерц.

Эти гармоники покидают источник питания по кабелям и по воздуху. Они достигают управляющей электроники, искажают сигналы датчиков и приводят к превышению допустимых пределов выбросов.

Фильтр, удаляющий гармоники, также замедляет фронт импульса. Задача проектирования состоит в том, чтобы ослабить импульс там, где он нежелателен, и пропустить его там, где происходит разряд.

В данной статье рассматриваются расчет спектра, источники электромагнитных помех внутри источника питания, двухступенчатый подход к фильтрации, четыре режима отказов и параметры компонентов, определяющие, сохраняется ли затухание на частоте 1 ГГц.

2. Основной механизм

2.1 Импульсный спектр и первый нуль

Огибающая спектра импульса подчиняется функции sinc, определяемой временем нарастания:

A(f) ≈ A_peak × sin(π × f × t_rise) / (π × f × t_rise)

где A(f) — спектральная амплитуда на частоте f, A_peak — пиковая спектральная амплитуда, а t_rise — время нарастания импульса.

При t_rise = 10 нс первый минимум находится на частоте f = 100 МГц, а огибающая спадает примерно на -20 дБ/декаду выше неё. Энергия на частоте 1 ГГц всё ещё находится примерно на 40 дБ ниже основной частоты, чего достаточно, чтобы не пройти тест на кондуктивные помехи.

2.2 Полный спектр импульсов

Реальный импульс имеет конечные значения нарастания, спада и ширины, поэтому огибающая содержит два члена sinc:

F(f) = A × t_pulse × sinc(π f t_pulse) × sinc(π f t_rise)

где F(f) — спектральная амплитуда, A — амплитуда импульса, t_pulse — ширина импульса, а t_rise — время нарастания.

При t_rise = 10 нс и t_pulse = 50 нс основная частота находится на уровне 1/t_pulse, что составляет 20 МГц. Первый минимум находится на уровне 1/t_rise, что составляет 100 МГц. Оба угла соответствуют прямым линиям сигнала и смещаются при изменении разрядной цепи.

2.3 Источники электромагнитных помех внутри источника питания

Излучение преимущественно обусловлено четырьмя источниками. Переходы IGBT-транзисторов достигают значений dV/dt выше 1 кВ/нс и di/dt выше 1 кА/нс. Конденсаторная батарея колеблется в диапазоне частот от 5 МГц до 50 МГц. Демпфирующие диоды восстанавливаются с временем релаксации trr от 25 нс до 100 нс. Шины действуют как антенны на частотах выше 100 МГц.

Каждый источник взаимодействует либо посредством проводимости через кабели, либо посредством излучения через воздух. Фильтр видит проводящий путь, а компоновка определяет путь излучения.

2.4 Частота среза и значения компонентов

Низкочастотный LC-фильтр формирует свой фильтр на основе индуктивности и емкости:

f_cutoff = 1 / (2π √(L_filter × C_filter))

где f_cutoff — частота среза, L_filter — индуктивность фильтра, а C_filter — емкость фильтра.

При f_cutoff = 50 МГц и C_filter = 1 нФ, L_filter составляет примерно 100 нГн. В этом случае каскад второго порядка имеет спад на -40 дБ/декаду выше этого значения.

2.5 Время нарастания импульса и потери на затухание

Фильтр добавляет к импульсу собственное время нарастания:

t_rise_filter ≈ 0.35 / f_cutoff

где t_rise_filter — время нарастания, вносимое фильтром, а f_cutoff — частота среза. На частоте 50 МГц фильтр добавляет 7 нс, поэтому импульс длительностью 10 нс становится 17 нс.

Импеданс конденсатора на высоких частотах обусловлен его эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL):

Z_C = 2π × f × ESL

где Z_C — импеданс конденсатора, f — частота, а ESL — эквивалентная последовательная индуктивность. На частоте 1 ГГц эквивалентная последовательная индуктивность 50 нГн дает сопротивление 314 Ом.

Демпфирующий резистор сжигает энергию, запасенную в индуктивности фильтра, при каждом импульсе:

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF

где P_damp — средняя рассеиваемая мощность, L_filter — индуктивность фильтра, I_peak — импульсный ток, а PRF — частота повторения импульсов. При частоте 6 кГц эта нагрузка достигает 50–100 Вт, и резистор должен выдерживать её непрерывно.

Рис. 1 — Нарастание в 10 нс приводит к первому спаду спектра на частоте 100 МГц; пара импульсов на частотах 50 МГц и 500 МГц снижает огибающую примерно на 100 дБ на частоте 1 ГГц.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Слишком высокое пороговое значение, не соответствующее пределу выбросов.

Однокаскадный усилитель, работающий на частоте 100 МГц, давал лишь около -20 дБ на частоте 1 ГГц. Источник питания не прошёл тест на кондуктивные помехи, и решение проблемы заключалось в предоставлении внешнего фильтрующего блока, который имел свою стоимость и объём.

Расчет спектра был доступен с самого начала. Угловая частота была выбрана еще до того, как кто-либо начал изучать распределение энергии.

Проблема 2: Слишком большой индуктор, замедляющий работу фронта сигнала.

Индуктор с индуктивностью 600 нГн увеличил время нарастания фильтра до более чем 20 нс. Импульс растянулся, разрядный ток упал, и выходная энергия лазера вышла за пределы допустимых значений.

Сначала вину возложили на газовую смесь, а затем на оптику. Измерения импульса на полновольтном прототипе показали, что причиной является фильтр.

Проблемный момент 3: Конденсатор ESL, устраняющий затухание

Фильтрующий конденсатор с эквивалентной последовательной индуктивностью 50 нГн имеет сопротивление 314 Ом на частоте 1 ГГц. Шунтирующий путь к земле на этой частоте разомкнут, поэтому гармоники проходят через него, и затухание прекращается на уровне собственного резонанса компонента.

Фильтр показал корректные результаты измерений в диапазоне от 1 МГц до 30 МГц. Все результаты испытаний ниже 100 МГц соответствовали требованиям, а сбои в излучении наблюдались только в верхней части диапазона.

Проблемный момент 4: слишком сильно нагревающийся демпфирующий резистор.

Демпфирующий резистор, размер которого был определен на основе данных, полученных в ходе лабораторных испытаний при низкой частоте дискретизации, рассеивал 80 Вт при частоте повторения импульсов 6 кГц. Без пути отвода тепла он достиг своего предела в течение одного сдвига и начал изменять свое значение.

Затем частотная характеристика фильтра смещалась в зависимости от резистора, и затухание уменьшалось одновременно с увеличением потерь. Оба эффекта указывали на деталь, которая изначально не была рассчитана на непрерывную работу.

Проблема № 5: Фильтр установлен на некотором расстоянии от источника звука.

Фильтр, расположенный на расстоянии 150 мм от коммутационного каскада, выходил из соединительной петли в качестве излучателя. Измеренное излучение было на 12 дБ выше, чем у того же фильтра, установленного на клеммах источника.

На схеме была показана идентичная сеть. Отличалась только компоновка, и именно компоновка определяла результат на частотах выше 100 МГц.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитайте спектр и укажите проблемные частоты.

Вычислите A(f) по измеренному времени нарастания и отметьте основную частоту на 20 МГц и первый минимум на 100 МГц для импульса длительностью 50 нс. Укажите частоты, на которых огибающая находится выше предельной линии.

Затем отнесите эти частоты к источнику. Край сигнала IGBT, колебания блока, восстановление диода и излучение шины — каждый из них охватывает свой диапазон, и для каждого из них требуется своя точка локализации.

Стратегия 2: Использование двух этапов для широкополосного затухания.

Первый каскад разместите на частоте 50 МГц с емкостью C = 1 нФ и индуктивностью L = 100 нГн, что охватывает диапазон частот от 50 МГц до 500 МГц. Второй каскад разместите на частоте 500 МГц с меньшей емкостью, что охватывает диапазон частот от 500 МГц до 5 ГГц.

Пара частот спадает примерно на -80 дБ/декаду выше 500 МГц, поэтому содержание 1 ГГц на фронте длительностью 10 нс достаточно сильно ниже предела, чтобы обеспечить запас прочности в производстве.

Стратегия 3: Выбирайте конденсаторы для расчета электростатической индуктивности, а не только емкость.

Выбрать N4700 компоненты с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн. На частоте 1 ГГц это составляет 63 Ом вместо 314 Ом у компонента с индуктивностью 50 нГн, что обеспечивает работоспособность шунтирующего тракта во всем диапазоне частот.

Используйте HVCT8G Коаксиальные кабели используются в узлах с высоким током. Геометрия их электродов обеспечивает индуктивность петли ниже 8 нГн при расстоянии между клеммами 40 мм, и угол фильтра соответствует расчетному значению.

Стратегия 4: Заглушите фильтр с помощью резистора с низкой индуктивностью.

Используйте HVRGXP Толстопленочные компоненты с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 10 нГн, номинальные потери на 50% превышающие расчетные потери на демпфирование. На частоте 6 кГц это означает компонент, способный непрерывно пропускать мощность от 100 до 150 Вт.

Установите резистор на клеммах конденсатора и обеспечьте ему реальный путь для нагрева. Резистор, значение которого изменяется, сдвигает частотную характеристику фильтра, и ослабление уменьшается вместе с ним.

Стратегия 5: Сохраняйте фронт импульса и устанавливайте устройство у источника.

Установите пороговое значение как можно выше, насколько позволяет предел излучения, затем подтвердите фронт на прототипе с полным напряжением. Пороговое значение в 50 МГц добавляет 7 нс, а в 100 МГц — 3.5 нс, поэтому выбор происходит путем компромисса между ослаблением и шириной импульса.

Первый каскад следует установить на клеммах коммутации. Соединение между источником и фильтром является частью излучателя, и 150 мм его мощности в измеренном случае снижают уровень шума на 12 дБ.

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. Фильтрующие конденсаторы HVC для сетей электромагнитных помех эксимерных лазеров

Выбор компонентов на этом узле определяется тремя требованиями: достаточно низким значением ESL для шунтирования на частоте 1 ГГц, достаточно низкими потерями, чтобы фильтр не создавал тепловой поток, и диэлектриком, сохраняющим свои значения во всем диапазоне частот. Компания HVC производит компоненты N4700 для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESL ниже 10 нГн дает 63 Ом на частоте 1 ГГц вместо 314 Ом, поэтому шунтирующий путь по-прежнему работает там, где присутствуют гармоники.
• Значение ESR ниже 10 мОм на частоте 1 МГц позволяет свести потери I²R конденсатора к небольшой доле от общих потерь в фильтре, оставляя демпфирующий резистор единственной задачей проектирования системы теплоотвода.
• Значение tanδ ниже 0.1% сводит самонагрев к незначительному уровню, поэтому частотная характеристика фильтра не изменяется по мере нагревания корпуса.
• Частичные разряды ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Экранирование частичным разрядом устраняет внутренние микродуги, которые могли бы вносить собственный широкополосный шум в полосу частот, которую фильтр призван очищать.
• Диапазон рабочих напряжений от 1 кВ до 150 кВ, с радиальными и винтовыми клеммами, поэтому одна диэлектрическая система обслуживает каскад 50 МГц, каскад 500 МГц и демпфирующую сеть.
• Сертифицированы как готовые к использованию компоненты ведущих производителей в системах DUV-освещения и указаны производителями лазеров в новых платформах. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпусов. Murata винтовые высоковольтные конденсаторы.

Если на сцене необходим сериальный элемент, сочетайте их. пленочный конденсатор с быстровосстанавливающийся диод При trr 25–35 нс, поэтому путь затухания не добавляет заряда восстановления к следующему импульсу.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты фильтров — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в расчете спектра, анализе топологии фильтров, анализе потерь на затухание и проверке формы импульса для сетей электромагнитной совместимости.

Отправьте время нарастания импульса, ширину импульса, частоту повторения импульсов (PRF) и неисправный частотный диапазон. HVC вернет вам лист с компонентами фильтра, номерами деталей, распределением ESL и ESR, а также комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как рассчитать спектр импульса?

Используйте огибающую sinc A(f) ≈ A_peak × sin(π f t_rise) / (π f t_rise). При t_rise = 10 нс первый минимум находится на частоте 100 МГц. Реальный импульс конечной ширины добавляет второй член sinc на уровне 1/t_pulse, что для импульса длительностью 50 нс приводит к тому, что основная частота находится на уровне 20 МГц.

Вопрос 2: Какую частоту среза следует использовать в фильтре?

Максимально допустимая величина, поскольку срез определяет дополнительное время нарастания. Срез на 50 МГц добавляет 7 нс и превращает импульс длительностью 10 нс в 17 нс. Срез на 100 МГц добавляет 3.5 нс и обеспечивает меньшее затухание, поэтому выбор зависит от того, какой запас по затуханию необходим для формы импульса.

В3: Почему фильтрующий конденсатор не обеспечивает затухание на гигагерцовых частотах?

Потому что его ESL устанавливает импеданс выше собственного резонанса. На частоте 1 ГГц компонент с индуктивностью 50 нГн имеет сопротивление 314 Ом, и шунтирующий путь перестает проводить ток. Компонент с ESL 10 нГн, напротив, имеет сопротивление 63 Ом, что позволяет гармоникам продолжать течь в землю.

Вопрос 4: Какую мощность рассеивает демпфирующий резистор фильтра?

Значение P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF. При частоте повторения импульсов 6 кГц средняя нагрузка достигает 50–100 Вт, поэтому резистору необходим запас в 50% и реальный путь отвода тепла. Значение резистора без пути отвода тепла изменяется, и характеристика фильтра меняется вместе с ним.

В5: Должен ли фильтр находиться на этапе переключения?

Да, для первого каскада. Фильтр, установленный на расстоянии 150 мм от источника, показал на 12 дБ худшие результаты, чем те же самые фильтры, установленные на клеммах источника, поскольку соединительная петля излучает частоты выше 100 МГц. Схема остается неизменной в любом случае.

В6: Почему используются два этапа вместо одного?

Потому что один край не может охватить три десятилетия. Каскад с частотой 50 МГц охватывает диапазон от 50 МГц до 500 МГц, а каскад с частотой 500 МГц — от 500 МГц до 5 ГГц. Вместе они обеспечивают спад примерно на -80 дБ/декаду выше 500 МГц, что соответствует фронту длительностью 10 нс на частоте 1 ГГц.

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. Х. Лю и др., Влияние электромагнитного поля на поведение частичного разряда в пленочных конденсаторах из БОПП-пленкиIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 6, pp. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
7. Пленочные конденсаторы (МФУ) различных типов для требовательных применений.TDK Electronics (EPCOS), https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf .
8. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
9. Выбор конденсатора для импульсного питанияЭлектротехнический Stack Exchange, https://electronics.stackexchange.com/questions/486321/selecting-a-capacitor-for-pulsed-power .
10. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com