Источники лазерного импульса: лавинный пробой в высоковольтных диодах.

Источники лазерного импульса: лавинный пробой в высоковольтных диодах.

Резюме

В лазерном импульсном узле диод управляется напряжением 30 кВ, током 5 кА и скоростью 50 кВ/мкс шесть тысяч раз в секунду. В этой статье приводятся данные об умножении лавинного пробоя, напряжении пробоя 30 кВ, устанавливаемом легированием, генерации 16.3 кВт при рассеиваемой мощности 1.6 кВт, импульсе обратного восстановления 6 Дж, а также параметры и демпфирующая цепь, обеспечивающие работоспособность перехода.

1. Введение

Высоковольтные диоды в эксимерном лазере обеспечивают свободное вращение, ограничение тока, демпфирование разряда и блокировку обратного тока. Эти функции позволяют диоду находиться на фронте импульса. Пиковое напряжение варьируется от 20 кВ до 40 кВ, пиковый ток — от 1 кА до 10 кА, а фронт импульса — от 10 кВ/мкс до 100 кВ/мкс.

Три механизма завершают работу этой части. Лавинное умножение начинается, когда обратное поле превышает критическое поле. Тепловой разгон следует за этим, когда генерация превышает рассеивание. Обратное восстановление добавляет энергетический импульс при каждом переключении.

Каждый из этих механизмов приводит к короткому замыканию или обрыву цепи, и для ремонтной бригады каждая из них выглядит как отдельная неисправность. Во всех трех случаях виной тому оказывается перепад напряжения.

В данной статье рассматриваются условия лавинного пробоя, напряжение пробоя, определяемое легированием, тепловой баланс, заряд и энергия обратного восстановления, ток смещения, четыре режима отказа в полевых условиях, а также номинальные параметры, позволяющие детали прослужить 10 000 часов.

2. Основной механизм

2.1 Лавинное умножение

При напряженности поля выше критического значения около 3e5 В/см в кремнии носители заряда получают достаточно энергии для образования электронно-дырочных пар путем ударной ионизации. Количество носителей заряда увеличивается в несколько раз:

M = 1 / [1 − ∫(αn + αp) dx]

где M — множитель, αn и αp — коэффициенты ионизации электронов и дырок, а интеграл пробегает ширину обедненной области.

Оба коэффициента возрастают с увеличением поля:

αn = An × exp(−Bn / E)

где αn — коэффициент ионизации электронов, An и Bn — материальные константы, а E — электрическое поле. Для кремния An = 7e5 см−1 и Bn = 1.2e6 В/см. Величина M неограниченно возрастает в точке лавины.

2.2 Напряжение пробоя при легировании

Напряжение пробоя зависит от критического поля и легирования светлой стороны перехода:

V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd)

где V_br — напряжение пробоя, εs — диэлектрическая проницаемость кремния, E_c — критическое поле, q — заряд электрона, а Nd — концентрация доноров.

При Nd = 1e14 см−3 и E_c = 3e5 В/см, V_br составляет около 30 кВ. Это значение соответствует классу диодов питания лазера и не оставляет запаса прочности при напряжении питания 30 кВ с перерегулированием.

2.3 Тепловой баланс в соединении

Вырабатываемая мощность включает в себя прямые потери, обратную утечку и восстановительный импульс:

P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f

где P_gen — генерируемая мощность, V_f и I_f — прямое напряжение и ток, V_r и I_r — обратное напряжение и ток утечки, E_rr — энергия восстановления на одно событие, а f — частота повторения.

При V_f = 2 В, I_f = 5 кА, V_r = 30 кВ, I_r = 10 мА, E_rr = 1 Дж и f = 6 кГц, P_gen = 10 000 + 300 + 6 000, или 16.3 кВт. Рассеиваемая мощность при температуре перехода 200 °C, температуре окружающей среды 40 °C и 0.1 °C/Вт составляет всего 1.6 кВт. В этом случае переход переходит в состояние теплового пробоя.

Увеличение во время одного импульса незначительно:

T_j(t) = T_a + P_gen × R_th × [1 − exp(−t / τ_th)]

где T_j(t) — температура перехода, T_a — температура окружающей среды, R_th — тепловое сопротивление, t — время, а τ_th — тепловая постоянная времени. При τ_th = 5 мс и t = 100 нс температура перехода достигает 72.6 °C. Средняя температура за миллиарды импульсов — это то, что завершает работу компонента.

2.4 Энергия обратного восстановления

Накопленные неосновные носители заряда должны покинуть переход до того, как диод заблокируется. Накопленный заряд и энергия восстановления следующие:

Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr

где Q_rr — заряд восстановления, I_rr — пиковый обратный ток восстановления, а t_rr — время восстановления.

Затем следует энергия, затрачиваемая на одно событие:

E_rr = V_r × Q_rr

где E_rr — энергия восстановления, V_r — обратное напряжение, а Q_rr — заряд восстановления. При I_rr = 2 кА, t_rr = 200 нс и V_r = 30 кВ, Q_rr = 200 мкКл и E_rr = 6 Дж. При частоте 6 кГц это составляет 36 кВт в корпусе, рассчитанном на малую долю этой мощности.

2.5 Ток смещения на краю

Емкость перехода пропускает ток смещения всякий раз, когда изменяется напряжение:

I_disp = C_j × dv/dt

где I_disp — ток смещения, C_j — емкость перехода, а dv/dt — скорость нарастания напряжения. Переход емкостью 100 пФ на фронте 50 кВ/мкс пропускает 5 А, что значительно меньше прямого импульса 5 кА. Переход емкостью 1 нФ на фронте 100 кВ/мкс пропускает 100 А, что нагревает локальную область чипа.

Рис. 1 — Фрагмент импульса 50 кВ/мкс пропускает ток 5 А через переход емкостью 100 пФ; RC-демпфер с импульсом 20 кВ/мкс уменьшает ток смещения до 2 А.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: Лавинный эффект от перенапряжения.

Там, где напряжение пробоя меньше 1.5 раз напряжения питания, выброс на краю напряжения пересекает это значение. Это умножение приводит к увеличению тока и переходу в состояние неконтролируемого разгона в течение микросекунд.

Выход из строя происходит в промежутке между 1,000 и 5,000 часами работы, и устройство показывает короткое замыкание. Оператор винит конденсатор или переключатель, а на графике аналогичного диода видно, что точка пробоя находится ниже уровня напряжения питания.

Проблемный момент 2: Тепловой разгон из-за прямого тока

Если допустимая импульсная нагрузка не превышает двукратный импульсный ток, прямые потери нагревают микросхему быстрее, чем корпус её удаляет. Переход выходит из строя, и кремний плавится в одной точке.

В промежутке между 2,000 и 8,000 часами работы диод закоротил. Оператор объясняет это перенапряжением, а тепловое изображение, полученное во время одного импульса, показывает место оплавления в месте сужения.

Болевой пункт 3: Неудача в процессе восстановления

Медленный диод с t_rr выше 500 нс или Q_rr выше 500 мкКл передает в импульс восстановления больше энергии, чем может выдержать корпус. Фрагмент с импульсом 50 кВ/мкс добавляет к этому ток смещения.

Деталь выходит из строя в период от 500 до 2,000 часов работы. Оператор винит в этом схему переключения, а измерение двойного импульса при рабочем напряжении и токе показывает заряд восстановления, который стал причиной поломки.

Болевая точка 4: Горячая точка из-за неравномерного тока

Острый угол или узкое сужение удерживают течение в одном месте. В этом месте температура в 2-5 раз выше средней, и происходит локальное плавление.

В промежутке между 3,000 и 10,000 часами работы деталь выходит из строя в этой точке. Оператор списывает это на производственный дефект, и чип большой площади с оптимизированным рисунком электродов устраняет сужение. Тот же рисунок удерживает N4700 Аноды конденсатора и пленочный резистор обеспечивают равномерный путь протекания тока.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установить запас прочности.

Укажите напряжение пробоя, превышающее в 2 раза пиковое обратное напряжение, например, для узла на 30 кВ потребуется компонент на 60 кВ. Проверьте это значение с помощью высоковольтного испытания при напряжении, в 1.5 раза превышающем рабочее напряжение, и проверьте утечку как на этом уровне, так и при номинальном значении.

Стратегия 2: Установить запас прочности на случай резкого увеличения нагрузки.

Укажите номинальный импульсный ток, превышающий в 3 раза пиковый импульсный ток, например, для узла 5 кА потребуется компонент на 15 кА. Подтвердите это импульсным испытанием при токе, в 2 раза превышающем рабочий ток, и проверьте прямое напряжение в пике, поскольку возрастающее V_f увеличивает генерируемую мощность в разделе 2.3.

Стратегия 3: Снизить плату за восстановление.

Выберите быстровосстанавливающийся диод с Q_rr менее 100 мкКл и t_rr менее 200 нс, или с диодом Шоттки из карбида кремния, заряд восстановления которого близок к нулю. Подтвердите это с помощью теста с двойным импульсом при рабочем напряжении и токе и понаблюдайте за формой тока восстановления на предмет резкого скачка.

Стратегия 4: Смягчить воздействие на узел.

Добавьте RC- или RCD-демпфер, который поддерживает dv/dt ниже 20 кВ/мкс. На переходе емкостью 100 пФ это позволит снизить ток смещения с 5 А до 2 А. Настройте демпфер на критическое затухание так, чтобы перерегулирование на фронте уменьшалось с увеличением скорости нарастания, и проверьте частоту колебаний относительно пленочный конденсатор саморезонанс в том же цикле.

Стратегия 5: Распределить текущий поток

Используйте чип с большой площадью и расположением электродов, обеспечивающим питание всего перехода. Подтвердите путь тока с помощью инфракрасной визуализации во время импульса. Исключите участки с острыми углами или узким сужением, поскольку локальное повышение тока в этих точках в 2–5 раз превышает среднее значение.

Стратегия 6: Мониторинг температуры в камере.

Отслеживайте температуру корпуса с помощью встроенного термоэлемента или инфракрасного датчика. Примите 150 °C за верхний предел, а повышение на 20% по сравнению с первым показанием — за триггер замены. Запишите показание рядом с частотой импульсов, поскольку генерируемая мощность масштабируется пропорционально частоте в каждом члене раздела 2.3.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	менее 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Быстровосстанавливающиеся диоды HVC для импульсных узлов с высоким dv/dt

Выбор компонентов на этом узле определяется четырьмя требованиями: напряжение пробоя значительно выше напряжения питания, допустимая импульсная нагрузка выше импульсного тока, малый заряд восстановления и емкость перехода, достаточно малая для подавления тока смещения. Компания HVC производит компоненты для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Напряжение пробоя до 150 кВ при V_br, превышающем в 2 раза рабочее значение, обеспечивает запас прочности при напряжении шины 40 кВ, предотвращая перерегулирование на фронте 100 кВ/мкс.
• Номинальный импульсный ток составляет 20 кА при импульсе 5 кА, что позволяет удерживать прямые потери в пределах того, что корпус может компенсировать между импульсами.
• Заряд восстановления менее 50 мкКл и время восстановления менее 100 нс от контролируемого времени жизни носителей заряда, в отличие от 200 мкКл и 6 Дж, которые обеспечивает медленный элемент на том же технологическом узле.
• Емкость перехода менее 50 пФ, которая поддерживает ток смещения около 1 А на фронте 20 кВ/мкс вместо 100 А, которые проходят через участок с емкостью 1 нФ при 100 кВ/мкс.
• Оптимизированная схема расположения электродов распределяет ток по чипу и устраняет сужение, из-за которого чип работает в 2-5 раз сильнее, чем обычно. Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ обеспечивает питание узлов зажима, свободного хода и демпфирования, расположенных рядом с чипом. дверная ручка конденсаторы.
• Сертифицировано для работы с передовыми платформами источников света, включая источники света для литографии и отечественные программы обработки DUV-излучением при частоте 6 кГц, напряжении 40 кВ и 100 миллиардах циклов. Компоненты HVC соответствуют параметрам и размерам корпусов. Vishay Диапазоны высоковольтных диодов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в определении характеристик восстановления, проектировании демпфирующих элементов, тепловом моделировании и планировании испытаний на импульсные перенапряжения.

Отправьте обратное напряжение, пиковый прямой ток, частоту фронтов, частоту повторения и схему контура. HVC вернет вам лист выбора с данными для восстановления и комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой запас прочности необходим для шины 30 кВ?

Установите напряжение пробоя выше двукратного значения напряжения питания, то есть 60 кВ. Решите уравнение V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd), и концентрация доноров 1e14 см−3 даст около 30 кВ, что не оставляет места для перерегулирования на фронте 50 кВ/мкс. Деталь с напряжением 30 кВ на напряжении питания 30 кВ столкнется с лавинным пробоем в течение 1,000–5,000 часов.

Вопрос 2: Почему тепловой баланс так сильно отклоняется от равновесия?

Поскольку восстановительный импульс увеличивает прямые потери. P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f возвращает 16.3 кВт при 5 кА и 6 кГц с событием восстановления 1 Дж, в то время как рассеивание при температуре перехода 200 °C и 0.1 °C/Вт составляет 1.6 кВт. Переход выходит из-под контроля, потому что генерация на порядок превышает скорость удаления.

В3: Как уменьшить энергию обратного восстановления?

Снизьте заряд восстановления. Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr, и E_rr = V_r × Q_rr. При I_rr = 2 кА, t_rr = 200 нс и V_r = 30 кВ импульс составляет 200 мкКл и 6 Дж на событие. В устройстве с Q_rr менее 50 мкКл и t_rr менее 100 нс это значение снижается в 4 раза на том же узле.

Вопрос 4: Насколько демпфирующий элемент изменяет ток смещения?

Величина зависит от скорости нарастания. I_disp = C_j × dv/dt, поэтому через переход емкостью 100 пФ проходит 5 А при 50 кВ/мкс и 2 А при 20 кВ/мкс. Настройте демпфирующий контур на критическое затухание так, чтобы перерегулирование уменьшалось с увеличением скорости нарастания, и проверьте работу кольца на соответствие собственному резонансу петли.

В5: Какой рейтинг следует проверить в первую очередь на новой детали?

Проверьте напряжение пробоя в сравнении с пиковым обратным напряжением, включая выброс, а затем импульсный ток в сравнении с пиковым импульсным током. Деталь с V_br менее чем в 1.5 раза превышающим лавинный ток шины, и деталь с номинальным импульсным током менее чем в 2 раза превышающим импульсный ток выходят из-под контроля из-за потерь в прямом направлении. Обе неисправности проявляются как короткое замыкание.

В6: Как обнаружить неисправность диода до того, как линия прервется?

Отслеживайте температуру корпуса каждого блока и сравнивайте ее с первым показанием. Повышение на 20% указывает на рост прямого напряжения или увеличение заряда восстановления, а 150 °C — это предельная температура. Сопоставьте это с периодическим измерением Q_rr в режиме двойного импульса при рабочем напряжении и токе.

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 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. МЭК 60384-17:2019, Стационарные конденсаторы для использования в электронном оборудовании - Часть 17: Спецификация по разделам - Стационарные конденсаторы переменного и импульсного тока с металлизированной полипропиленовой пленочной диэлектрической прослойкой, 3-е изд. Женева: МЭК, 2019.
7. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
8. А. Сагехаши и др., Критерии проектирования схемы основной цепи с использованием печатных плат для снижения паразитной индуктивности, в 2014 г., 16-я Международная конференция и выставка по силовой электронике и управлению движением, стр. 569-574, 2014. https://doi.org/10.1109/epepemc.2014.6980555
9. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
10. JP 3979823 B2, 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (Намоточное оборудование и генератор высоковольтных импульсов, использующий его), Gigaphoton Inc., https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com