Оптимизация времени нарастания напряжения для высоковольтных источников питания для литографической техники.

Оптимизация времени нарастания напряжения для высоковольтных источников питания для литографической техники.

Резюме

Вспомогательный источник литографии должен достигать напряжения 5–20 кВ в пределах временного окна, стабилизироваться на уровне долей процента и повторять один и тот же профиль от импульса к импульсу. В этой статье рассматриваются баланс заряда, безопасный для фотодиода предел скорости нарастания, коэффициент демпфирования, удерживающий перерегулирование ниже 1%, и температурная стабильность, обеспечивающая повторяемость временных параметров, а затем приводятся шесть этапов проектирования для шины 15 кВ.

1. Введение

Вспомогательные источники для литографии включают лампы выравнивания, интерферометрические эталоны и контрольные осветители. Их включение и выключение осуществляется с заданными временными параметрами, которые никогда не предъявляются к линиям полимеризации.

Когда начинается цикл измерений, источник должен достичь рабочей точки на электроде лампы — часто это 5–20 кВ — в пределах фиксированного диапазона и стабилизироваться с точностью до доли процента.

Таким образом, время нарастания напрямую определяет пропускную способность. Каждая миллисекунда времени нарастания обходится в миллисекунду пропускной способности пластины, а каждое превышение этого значения увеличивает риск возникновения дуги или искажения измерения.

В данной статье рассматриваются баланс заряда, пределы нарастания и частичного разряда, демпфирование контура, устраняющее перерегулирование, четыре проблемные точки в полевых условиях и шесть этапов проектирования вспомогательной шины 15 кВ.

2. Основной механизм

2.1 Время нарастания заряда от момента достижения баланса заряда

Зарядное устройство постоянного тока подает фиксированный ток на всю емкость шины:

t_rise = C_total × V_tgt / I_charge

где t_rise — время зарядки, C_total — общая емкость фильтра, кабеля и электрода лампы, V_tgt — целевое напряжение, а I_charge — зарядный ток.

Аккумуляторная батарея емкостью 4 нФ, заряжаемая током 40 мА, достигает напряжения 15 кВ за 1.5 мс. Уменьшение емкости батареи вдвое сокращает время зарядки при том же токе, а емкость батареи определяется требуемым уровнем пульсаций, поэтому компромисс должен быть сделан целенаправленно.

Импульсное зарядное устройство передает фиксированную мощность, и ее увеличение следует за накопленной энергией:

t_rise ≈ 0.5 × C_total × V_tgt² / P_max

где P_max — максимальная мощность, которую зарядное устройство может подать на аккумуляторную батарею. Аккумуляторная батарея емкостью 4 нФ накапливает 0.45 Дж при напряжении 15 кВ, поэтому резонансному зарядному устройству мощностью 150 Вт требуется 3 мс.

2.2 Предел скорости изменения напряжения, безопасный для PD-процессоров

Ток зарядки также определяет наклон кривой напряжения на диэлектрике конденсатора:

dV/dt = I_charge / C_total

где dV/dt — наклон кривой заряда. Сорок миллиампер на 4 нФ дают 10 В/мкс, что является безопасным значением. Два ампера на 10 нФ дают 200 В/мкс, и внутренний градиент поля во время этого заряда может превышать начальный уровень образования пустоты, даже если в точке установившегося состояния отсутствуют частичные разряды.

Ограничение преобразуется в максимальный зарядный ток:

I_charge_max = C_total × (dV/dt)_PD

где (dV/dt)_PD — это наклон кривой, который компонент выдерживает без разряда в пустоте. Для блока 4 нФ при 20 В/мкс предел составляет 80 мА, что означает максимально быстрое нарастание за 0.75 мс.

2.3 Перерегулирование и стабилизация

Состояние контура определяет форму окончания линейного нарастания. Перерегулирование происходит в соответствии с коэффициентом затухания:

overshoot = exp(−π × ζ / √(1 − ζ²))

где ζ — коэффициент затухания замкнутой цепи. При ζ = 0.83 перерегулирование составляет 0.93%, а 1% от целевого значения 15 кВ соответствует 150 В избыточного напряжения на держателе лампы.

Время стабилизации зависит от полосы пропускания контура:

t_settle ≈ 4.6 / (ζ × ω_c)

где t_settle — время, за которое отклонение снижается до 1% от своего начального значения, а ω_c — частота среза контура в радианах в секунду. При частоте контура 1 кГц и ζ = 0.83 выходное напряжение возвращается в пределах 15 В от целевого значения через 0.44 мс после пика.

Таким образом, зарядка до 15 кВ за 1.5 мс открывает окно измерения на отметке 1.9 мс. Петля, настроенная на 25 °C с использованием блока питания класса II, может смещать точку пересечения с температурой, и та же петля затем выходит за пределы допустимого диапазона на 2% при 60 °C, что составляет 300 В.

2.4 Повторяемость в зависимости от температуры и срока службы

Время нарастания напрямую зависит от емкости банка и текущей базовой ставки. Банк, теряющий 3% своей стоимости, сокращает время нарастания на 3%, а банк, растущий на 3%, увеличивает его.

Диэлектрик класса II смещается на несколько процентов при изменении температуры в шкафу от 25 до 60 °C, что приводит к сдвигу как времени нарастания, так и точки пересечения петли. Диэлектрик класса I с ±30 ppm/°C удерживает оба параметра, поэтому профиль, измеренный при вводе в эксплуатацию, соответствует профилю, полученному на производственной площадке.

Рис. 1 — Линейное зарядное устройство на 40 мА достигает напряжения 15 кВ за 1.5 мс и стабилизируется в пределах ±0.1% к 1.9 мс; импульсному зарядному устройству мощностью 150 Вт требуется 3 мс для достижения той же энергии 0.45 Дж.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Время нарастания против эффективности

Линейный зарядник без труда соответствует заданным параметрам времени нарастания и сжигает разницу между напряжением питания и выходным напряжением в виде тепла. При токе 10 мА и в середине процесса нарастания напряжения проходной элемент рассеивает 75 Вт.

В этом случае для охлаждения корпуса потребуется система, рассчитанная на эти потери. Импульсное зарядное устройство устраняет потери и затрудняет контроль профиля нарастания и пульсаций.

Проблема 2: Частичный разряд во время быстрой зарядки.

Наиболее высокая полезная скорость зарядки определяется мгновенным порогом частичного разряда, а не номинальным напряжением. Аккумуляторная батарея, заряжаемая со скоростью 200 В/мкс при наличии внутренней пустоты, искрит, и эрозия сокращает срок службы детали.

Тест на частичные разряды в стационарном режиме по-прежнему проходит успешно даже на том же самом устройстве, поэтому повреждение остается незаметным в течение многих лет.

Проблемная точка 3: Перерегулирование и ложные дуги

Перерегулирование на 1.5% при напряжении 15 кВ составляет 225 В избыточного напряжения. При геометрии патрона лампы это избыточное напряжение в неблагоприятный день превышает пороговое значение дугового разряда и вызывает дуговой разряд, который искажает измерения и приводит к срабатыванию защиты.

Как правило, причиной перерегулирования является фильтрующий конденсатор, значение которого изменялось в зависимости от температуры и сдвигало запас по фазе контура.

Проблема 4: Разброс времени между кадрами.

Время нарастания сигнала варьируется на ±3% между измерениями, когда емкость аккумуляторной батареи и опорный ток изменяются в зависимости от температуры. В результате прибор плохо воспроизводит полученные метрологические данные.

Инженеры-технологи тратят часы на сопоставление наборов данных, которые должны были быть идентичными, а график работ компенсирует разницу.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите топологию, исходя из требований к осаждению.

В тех случаях, когда инструмент требует монотонного нарастания тока без перерегулирования, используйте зарядное устройство постоянного тока с прецизионным эталонным источником. В случаях, когда важна эффективность, используйте резонансное зарядное устройство и регулируйте наклон кривой с помощью активного плавного пуска.

В обеих топологиях наблюдается одинаковый баланс зарядов, поэтому выбор меняет профиль заряда, а не физические процессы.

Стратегия 2: Определение размера банка исходя из требований к Ripple.

Вычислите t_rise = C_total × V_tgt / I_charge и требуемый уровень пульсаций одновременно, и используйте наименьшую емкость, удовлетворяющую обоим условиям.

Каждый дополнительный нанофарад увеличивает время нарастания тока и нагрузку на зарядное устройство при том же токе, а также повышает энергию, которую должно выдавать зарядное устройство.

Стратегия 3: Указывать детали класса I, чистые для частичных разрядов, с запасом по заряду.

Используйте Диэлектрик класса I с разрядом менее 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, и запросить данные об импульсном разряде, полученные с использованием реальной формы волны зарядки, а не теста постоянного тока.

Там, где рельс также фильтрует ток лампы, пленочный конденсатор Добавляет возможность накопления энергии без изменения запаса по мощности.

Стратегия 4: Настройка контура с использованием термостабильных компонентов.

Используйте конденсаторы класса I в компенсационных и фильтрующих цепях, чтобы ζ и перерегулирование оставались неизменными во всем диапазоне температур шкафа, и проверьте установление параметров при −10 °C, +25 °C и +60 °C.

A толстопленочный резистор В цепи обратной связи поддерживается стабильное соотношение делителя в том же диапазоне, поэтому целевое напряжение также не изменяется с температурой.

Стратегия 5: Добавить активный ограничитель перерегулирования

Установите схему сброса напряжения или активный ограничитель, который срабатывает, когда выходное напряжение превышает целевое значение на 0.5%, что составляет 75 В при 15 кВ.

Зажим устраняет риск возникновения электрической дуги даже при смещении какого-либо компонента и защищает патрон лампы и измерительный прибор во время восстановления контура.

Стратегия 6: Статистическая проверка воспроизводимости.

Выполните 100 последовательных циклов зарядки при рабочей температуре инструмента и запишите время нарастания и время стабилизации.

Принимайте проект только в том случае, если разброс 3σ остается в пределах ±1% от целевого значения, и повторяйте запуск после любых изменений в банке данных или контуре. резистор выборки В том смысле, что делитель предотвращает изменение величины этого разброса из-за его собственного дрейфа.

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	при tanδ 0.1% или лучше
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 критически важных по времени нарастания напряжений питания.

Выбор компонентов на этом узле определяется тремя требованиями: емкость, не изменяющаяся с температурой или напряжением смещения, запас по частичным разрядам, сохраняющийся во время переходного процесса заряда, и потери, достаточно низкие, чтобы батарея не нагревалась во время нарастания напряжения. Компания HVC производит компоненты класса I для этого набора на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик класса I N4700 с точностью ±30 ppm/°C поддерживает заданное значение, поэтому время нарастания и профиль стабилизации повторяются от измерения к измерению, а не изменяются в зависимости от температуры камеры.
• Гарантируется, что емкость разряда (PD) не превысит 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, для каждой детали, при этом данные об импульсном возбуждении предоставляются по запросу, что позволяет зарядному устройству работать с максимально возможной скоростью изменения емкости разряда.
• Значение tanδ ниже 0.1% на частоте 1 кГц предотвращает нагрев блока во время линейного изменения параметров, поэтому профиль осаждения не смещается по мере нагревания корпуса.
• Диапазон 1–100 кВ охватывает калибровочную шину 5 кВ и эксимерный каскад 30 кВ из одного сертифицированного семейства, что позволяет сократить объем квалификационного досье.
• Низкоэмиссионные дисковые клеммы и винтовые клеммные блоки 441 обеспечивают зарядный ток без индуктивного провала в конце нарастания.
• Винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил конденсатор ведущего международного бренда в программах полевого обслуживания, где каждое повышение напряжения означает начало производства. дверная ручка конденсаторы и диски соответствуют параметрам Vishay и высоковольтные серии TDK.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC проверяют баланс заряда, предел нарастания и демпфирование контура на соответствие вашим временным параметрам.

Отправьте целевое напряжение, значение емкости аккумуляторной батареи, топологию зарядки и спецификацию установления. HVC вернет расчет времени нарастания с расчетами предела скорости изменения напряжения, отчеты о тестировании частичных разрядов и образец для проверки циклов зарядки, при этом технические характеристики будут предоставлены в течение двух недель.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как рассчитать время нарастания?

Согласно балансу заряда, t_rise = C_total × V_tgt / I_charge. Аккумуляторная батарея емкостью 4 нФ при токе 40 мА достигает 15 кВ за 1.5 мс, а та же батарея, получающая 0.45 Дж при мощности 150 Вт от импульсного зарядного устройства, достигает этого значения за 3 мс.

В2: Что ограничивает зарядный ток?

Безопасный для защиты от частичного разряда наклон определяется формулой I_charge_max = C_total × (dV/dt)_PD. Блок конденсаторов емкостью 4 нФ, который может работать со скоростью 20 В/мкс, принимает ток 80 мА, поэтому 0.75 мс — это самый быстрый нарастающий момент, при котором разряд остается стабильным. Зарядка со скоростью 200 В/мкс приводит к износу компонента, тест на защиту от частичного разряда которого пройден.

В3: Какое перерегулирование возникает при использовании петли частотой 1 кГц?

Это зависит от коэффициента затухания, из расчета перерегулирования = exp(−πζ/√(1 − ζ²)). При ζ = 0.83 пиковое значение составляет 0.93%, или 140 В на шине 15 кВ. Ниже ζ = 0.8 пиковое значение превышает 1.5%, что составляет 225 В и создает риск возникновения дуги в патроне лампы.

Вопрос 4: Сколько времени занимает отстаивание?

Исходя из t_settle ≈ 4.6/(ζω_c). При частоте колебаний 1 кГц и ζ = 0.83 отклонение падает до 15 В, что составляет 0.1% от целевого значения, через 0.44 мс после пика, поэтому зарядка длительностью 1.5 мс открывает окно измерения на отметке 1.9 мс.

В5: Почему класс диэлектрика имеет значение для синхронизации?

Поскольку время нарастания пропорционально емкости блока. Характеристики элементов класса II изменяются на несколько процентов в диапазоне температур от 25 до 60 °C, что приводит к смещению времени нарастания и точки пересечения контура. Характеристики элементов класса I при ±30 ppm/°C изменяются на 0.001% в том же диапазоне.

Вопрос 6: Как доказать воспроизводимость?

Выполните 100 последовательных циклов зарядки при рабочей температуре инструмента, запишите время нарастания и время стабилизации и принимайте результат только в том случае, если разброс 3σ остается в пределах ±1% от целевого значения. Повторите цикл при −10 °C и +60 °C, чтобы охватить весь диапазон температур камеры.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 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 60270:2025, Методы высоковольтных испытаний - Измерение частичных разрядов на основе заряда., 4-е изд. Женева: МЭК, 2025.
6. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
7. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9.
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. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
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