Suministros para láseres excimer: Compresión de pulsos de condensador no lineal

Suministros para láseres excimer: Compresión de pulsos de condensador no lineal

Compendio

La compresión de pulsos generalmente implica interruptores magnéticos saturables. Un condensador dependiente del voltaje realiza la misma función de forma pasiva, ya que su frecuencia de resonancia aumenta a medida que aumenta el voltaje y disminuye su capacitancia.

En el ámbito de los nanosegundos de excímeros, el efecto equivale a varias veces la compresión de una parte lineal, sin núcleo, sin inductor saturable y sin pérdidas por conmutación. El precio es una capacitancia que debe caracterizarse en función del voltaje y la temperatura, y una energía almacenada muy inferior a la de una parte lineal del mismo valor nominal.

1. Introducción

La compresión de pulsos transfiere energía de una fuente de potencia pico baja y de larga duración a una carga de potencia pico alta y de corta duración. Las fuentes de alimentación de excímeros lo hacen mediante interruptores magnéticos saturables, inductores cuya impedancia disminuye de alta a baja cuando el núcleo se satura.

Una segunda opción utiliza un condensador no lineal, cuya capacitancia disminuye a medida que aumenta la tensión aplicada. Se carga a través de un inductor con una fuente de corriente continua. La corriente de carga sigue una forma de onda resonante, y su frecuencia aumenta a medida que sube la tensión del condensador y disminuye su capacitancia.

La compresión se debe a ese cambio de frecuencia. La transferencia de energía es más rápida a alto voltaje porque la frecuencia de resonancia es mayor, por lo que todo el ciclo de carga finaliza antes que con una parte lineal.

En los frentes de 25 ns a 100 ns que requiere una descarga de excímero, el efecto es varias veces superior a la compresión de un capacitor lineal del mismo valor nominal. No necesita núcleo magnético, ni inductor saturable, ni pérdidas de conmutación adicionales.

2. Mecanismo central

2.1 La característica de capacitancia frente a voltaje

Un capacitor no lineal sigue una relación de ley de potencias entre la capacitancia y el voltaje aplicado:

C(V) = C0 / (1 + α × V)^n

donde C(V) es la capacitancia a voltaje V en faradios, C0 la capacitancia a voltaje cero en faradios, α el coeficiente de no linealidad y n un exponente que va de 0.5 a 1.0 en las partes cerámicas.

Consideremos 20 nF a cero voltios con α de 0.02 y n de 0.7. A 30 kV, el denominador es 601 elevado a 0.7, o 88.1, por lo que la capacitancia es 20 nF / 88.1, que es 0.23 nF.

La relación entre cero voltios y voltaje máximo es de 88. La forma de la caída es tan importante como la relación: la mitad ocurre por debajo de 200 V, donde la capacitancia cae de 20 nF a 6.5 ​​nF, y las décadas restantes transcurren lentamente desde 2 kV hacia arriba.

2.2 Carga a través de un inductor

Con el condensador cargado a través de una inductancia L desde una tensión de bus V_bus, el bucle obedece a:

L × dI/dt + V_C(t) = V_bus

donde L es la inductancia de carga en henrios, I la corriente del circuito en amperios, V_C(t) la tensión del condensador en voltios y V_bus la tensión del bus de CC en voltios. La corriente en sí depende de la capacitancia dependiente de la tensión mediante I = C(V) × dV_C/dt.

La frecuencia de resonancia instantánea aumenta a medida que disminuye la capacitancia:

ω(V) = 1 / √(L × C(V))

donde ω(V) es la frecuencia angular en radianes por segundo, L la inductancia de carga en henrios y C(V) la capacitancia instantánea en faradios.

En una inductancia de carga de 100 nH, la frecuencia comienza cerca de 112 krad/s y aumenta en la raíz cuadrada de 88 a medida que sube el voltaje. El pico de corriente llega antes que con una parte lineal, y el ciclo de carga es más corto.

2.3 Relación de compresión

La ganancia con respecto a un capacitor lineal del mismo valor nominal es la raíz cuadrada de la relación de capacitancia:

Compression_Ratio ≈ √(C0 / C(V_bus))

donde C0 es la capacitancia de voltaje cero en faradios y C(V_bus) la capacitancia al voltaje del bus en faradios.

Para la característica de 2.1, la relación es 9.4. Los diseños publicados con coeficientes más suaves se sitúan entre 2 y 5 una vez que se incluyen la impedancia de carga y la amortiguación, y cualquier cifra en ese rango aún elimina una etapa magnética.

La estimación es de primer orden porque compara los puntos finales del barrido. Úsela para seleccionar la pieza y luego confirme la forma del pulso en el prototipo.

2.4 Energía almacenada en la tensión del bus

La energía en un capacitor no lineal es la integral de la carga con respecto al voltaje, no el producto lineal:

E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV

donde E es la energía almacenada en julios, C(V) la capacitancia dependiente del voltaje en faradios y V_bus el voltaje del bus en voltios.

Para la característica de 2.1, esa integral da 0.16 J a 30 kV. Una parte lineal de 20 nF al mismo voltaje almacena 9 J.

Esa brecha compensa la compresión. Una capacitancia que se reduce 88 veces no puede almacenar la carga que almacena una parte constante de 20 nF, por lo que una etapa no lineal da forma al pulso y no lo almacena. El banco de almacenamiento permanece lineal y se ubica aguas arriba, y el bus suministra la energía del pulso a través de la inductancia de carga.

2.5 Forma del pulso en la carga

Al descargarse en la carga láser resistiva-inductiva, el pulso sigue la capacitancia instantánea a cada voltaje. Un voltaje alto implica una capacitancia baja y una constante de tiempo corta, mientras que un voltaje bajo implica lo contrario.

El resultado es un frente que asciende rápidamente y una cola que desciende lentamente, lo cual se aproxima a la forma que busca una descarga de excímero. La atenuación de la cola viene determinada por la capacitancia de bajo voltaje, que es el valor máximo en el barrido y, por lo tanto, el parámetro que fija la duración del pulso.

La pendiente de descarga sigue la corriente y la capacitancia instantánea:

dV/dt = I_peak / C(V)

donde dV/dt es la pendiente en el capacitor en voltios por segundo, I_peak la corriente de descarga en amperios y C(V) la capacitancia en el voltaje instantáneo en faradios.

Una descarga de 16 kA a 30 kV a través de una capacitancia efectiva de 3 nF produce una pendiente superior a 1 kV/ns. Dicha pendiente excita la resonancia del banco entre la inductancia y la capacitancia del bus en el rango de 10 MHz a 50 MHz.

Figura 1: La capacitancia disminuye de 20 nF a cero voltios a 0.23 nF a 30 kV en una escala logarítmica, la mitad de la caída dentro de los primeros 200 V.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Punto débil 1: Forma del pulso que se mueve con la temperatura.

Tanto el coeficiente de no linealidad como el exponente varían con la temperatura. Una pieza caracterizada a 25 °C se comprime de forma diferente a 60 °C.

El ancho del pulso varía entre un 10 % y un 20 % en todo el rango de funcionamiento. El operador observa una salida láser inestable y revisa la mezcla de gases o la óptica, y la causa reside en la característica de capacitancia.

Punto de dolor 2: Energía almacenada muy por debajo de una parte lineal

La característica de 2.1 mantiene 0.16 J a 30 kV frente a 9 J para un componente lineal de 20 nF. Esta reducción debe reflejarse en el diseño de la fuente de alimentación, y la selección de condensadores por sí sola no la cubre.

El bus y el interruptor transportan la corriente de pulso mientras el voltaje es alto y la capacitancia es pequeña, por lo que el interruptor, el inductor de carga y el sistema de aislamiento están dimensionados para una corriente que la energía almacenada no describe.

Punto crítico 3: La tolerancia se convierte en variación pulso a pulso.

Un banco especificado a ±10% proporciona una relación de compresión de ±5% y un ancho de pulso de ±2.5%. En un pulso de 50 ns, esto equivale a ±1.25 ns, lo que se manifiesta como inestabilidad energética entre pulsos.

La deriva de temperatura se suma al término de tolerancia. En conjunto, ambos alcanzan ±5% del ancho del pulso en todo el rango de funcionamiento, y ambos aparecen en el mismo monitor de energía.

Punto crítico 4: Pendiente de descarga que excita la resonancia del banco

La descarga rápida produce una pendiente superior a 1 kV/ns. Dicha pendiente excita la resonancia entre la inductancia del bus y la capacitancia del banco a frecuencias de 10 MHz a 50 MHz.

Las oscilaciones generan una sobretensión del 15 % al 25 % en los condensadores, un transitorio cercano a la tensión de inicio de la descarga parcial del dieléctrico. En conjunto, esto reduce la vida útil del componente.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Caracterizar la no linealidad en función del voltaje y la temperatura.

Mida C(V) a 25 °C, 50 °C y 75 °C y construya un modelo dependiente de la temperatura a partir de las tres curvas. Utilice el modelo para predecir el ancho del pulso a cada temperatura de funcionamiento y diseñe el sistema de control para compensarlo.

Seleccione todos los condensadores de la etapa del mismo lote de producción, de modo que la variación entre lotes no se sume al término de temperatura.

Estrategia 2: Dimensionar el bus y el interruptor para la corriente comprimida.

Calcule la energía almacenada a partir de la integral E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV, no a partir de ½C0V². Luego, dimensione el interruptor, el inductor de carga y el aislamiento para la corriente que el pulso comprimido extrae del bus.

Para la característica de 2.1, la integral devuelve 0.16 J a 30 kV, y esa cifra, no 9 J, es lo que el banco de almacenamiento aguas arriba tiene que suministrar a través de la etapa de carga.

Estrategia 3: Especificar la tolerancia y la no linealidad controlada.

Especifique los condensadores del banco a ±2% para mantener el ancho del pulso dentro de ±1%. Exija que el coeficiente y el exponente se mantengan dentro de ±10% en todo el lote de producción, lo que garantiza que la relación de compresión sea repetible de una unidad a otra.

Medir y comparar la curva C(V) de cada unidad durante la puesta en marcha. N4700 La parte con una curva caracterizada proporciona al sistema de control una referencia fija para la compensación de temperatura del Punto de Dolor 1.

Estrategia 4: Amortiguar el transitorio de descarga

Sumar 0.5 Ω a 2 Ω resistencia de película gruesa En serie con el condensador para suprimir la oscilación de 10 MHz a 50 MHz. La resistencia debe mantener la inductancia serie equivalente (ESL) por debajo de 10 nH, de lo contrario, contribuye al bucle que genera la oscilación.

Verifique la amortiguación en un prototipo de voltaje completo en el peor de los casos, donde la capacitancia instantánea es mínima y la pendiente máxima.

Estrategia 5: Limitar el sobreimpulso

Colocar un diodo de recuperación rápida Aplique un voltaje a cada condensador para limitar el sobreimpulso de la descarga transitoria. Elija un componente con recuperación inversa igual o inferior a 35 ns y una carga de recuperación lo suficientemente baja como para que no inyecte corriente durante el sobreimpulso.

Ajuste la pinza entre un 5% y un 8% por encima de la tensión del bus. condensador de película Un banco de condensadores y un banco de condensadores cerámicos necesitan ajustes de sujeción diferentes porque sus curvas de capacitancia frente a voltaje difieren en el nivel de sujeción.

Estrategia 6: Monitorizar el ancho del pulso y la curva C(V).

En cada pulso, se registra el ancho del pulso medido y el punto de operación en la curva de capacitancia. Una variación en el ancho indica un cambio en la capacitancia debido al envejecimiento o la temperatura, y la posición en la curva permite diferenciar ambos fenómenos.

Configure un disparador de mantenimiento cuando el ancho del pulso se desvíe un 5 % de la línea base de puesta en marcha. condensadores pomo de la puerta en las posiciones reemplazables, de modo que un cambio de banco no requiere una reconfiguración de la etapa de compresión.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	por debajo de 50 mΩ	-
Inductancia de bucle (cuerda E40)	por debajo de 8 nH	Espacio entre terminales de 40 mm
resistencia de aislamiento	superior a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Rango de temperatura	−40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacidad de dv/dt de pulso	por encima de 50 kV/µs	a tensión nominal

5. Condensadores HVC N4700 para compresión no lineal

En este nodo, la elección se basa en cuatro requisitos: una curva de capacitancia que se caracteriza en función del voltaje y la temperatura, un coeficiente y un exponente que se mantienen dentro de ±10 % en todo el lote, un factor de disipación lo suficientemente bajo como para que la pérdida por descarga sea mínima con una pendiente de 1 kV/ns, y una descarga parcial lo suficientemente baja como para minimizar las oscilaciones asociadas. HVC fabrica componentes para este conjunto en una fábrica propia de 6,000 m² en Dongguan, con un rango de voltaje de 1 kV a 150 kV.

Seis parámetros que importan aquí

• Una curva C(V) de fábrica con el coeficiente y el exponente dentro de ±10% entre lotes hace que la relación de compresión sea predecible de una unidad a otra.
• Un coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C mantiene la posición de la curva estable, de modo que el ancho del pulso no varía a medida que la etapa se calienta.
• La capacitancia, ajustada a ±2%, limita la variación del ancho del pulso a ±1% antes de aplicar cualquier compensación de temperatura.
• Un factor de disipación (DF) inferior al 0.1 % mantiene pequeñas las pérdidas I²R frente a la energía del pulso, lo que simplifica el diseño de refrigeración de la etapa de compresión.
• HVRGHP Las resistencias de amortiguación con una inductancia serie equivalente (ESL) inferior a 10 nH suprimen las oscilaciones de 10 MHz a 50 MHz, y los diodos de sujeción de recuperación rápida con un tiempo de recuperación de 25 ns a 35 ns mantienen el sobreimpulso del 15 % al 25 %.
• Los cuerpos de terminales de tornillo de hasta 40 kV han sido calificados como reemplazos para los condensadores de tipo tornillo Murata japoneses en programas de reparación de campo de fuentes de luz. Las piezas HVC coinciden con los parámetros de Murata, series de alto voltaje de TDK y Vishay.

Entrega y soporte

Las piezas estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas, y los conjuntos de compresión compatibles en un plazo de 6 a 10 semanas. El departamento de ingeniería de aplicaciones HVC ofrece soporte para la caracterización C(V), el modelado de compresión por pulsos y la revisión del diseño de amortiguación y sujeción.

Envíe el rango de voltaje, el ancho de pulso requerido, la inductancia de carga, la impedancia de carga y el rango de temperatura de funcionamiento. HVC le proporcionará, en un plazo de cinco días hábiles, una curva de capacitancia frente a voltaje para la pieza propuesta, una estimación de compresión, el valor de la resistencia de amortiguación y un kit de evaluación de dos muestras.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Cuánta compresión proporciona un condensador no lineal?

La estimación de primer orden es √(C0 / C(V_bus)). Un componente con 20 nF a cero voltios y 0.23 nF a 30 kV tiene una relación de 88 y una estimación de 9.4. Los coeficientes más moderados utilizados en los diseños publicados se sitúan entre 2 y 5 una vez que se incluyen la impedancia de carga y la amortiguación, y cualquier valor en ese rango es suficiente para eliminar una etapa magnética.

P2: ¿Por qué la energía almacenada no sigue la fórmula ½C0V²?

Debido a que la capacitancia disminuye al aumentar el voltaje, la carga se acumula a un ritmo decreciente. La cifra correcta es E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV, que para la característica trabajada da 0.16 J a 30 kV frente a 9 J para una parte lineal de 20 nF. Una etapa no lineal da forma al pulso y un banco lineal aguas arriba almacena la energía.

P3: ¿Qué factores determinan la forma del pulso en la carga?

La capacitancia instantánea a cada voltaje. Un voltaje alto implica una capacitancia baja y una constante de tiempo corta, por lo que el frente de onda sube rápidamente; un voltaje bajo implica una capacitancia alta y una disminución lenta, por lo que la cola de onda es larga. Esta asimetría coincide con la dinámica de descarga de un gas excímero.

P4: ¿Qué tan estable es el ancho del pulso con respecto a la temperatura?

Tanto el coeficiente de no linealidad como el exponente varían con la temperatura, por lo que una pieza caracterizada a 25 °C se comporta de manera diferente a 60 °C. El ancho de pulso varía entre un 10 % y un 20 % sin compensación. La medición de C(V) a 25 °C, 50 °C y 75 °C proporciona el modelo que el sistema de control necesita para corregirlo.

P5: ¿Qué causa el efecto de resonancia en la etapa de compresión?

La pendiente de descarga, que sigue la relación dV/dt = I_pico / C(V), supera 1 kV/ns a alta tensión, donde la capacitancia es mínima. Esta pendiente excita la inductancia del bus y la capacitancia del banco entre 10 MHz y 50 MHz, generando un sobreimpulso del 15 % al 25 % en los condensadores. Una resistencia de amortiguación en serie de 0.5 Ω a 2 Ω con una inductancia serie equivalente (ESL) inferior a 10 nH elimina la mayor parte de este sobreimpulso.

P6: ¿Qué información debe incluirse en el monitor de salud?

Ancho de pulso medido y posición del punto de operación en la curva C(V). Un ancho variable indica que la capacitancia ha cambiado, y la posición en la curva permite diferenciar un efecto de envejecimiento de un efecto de temperatura. Configure el disparador de mantenimiento al 5 % de desviación del ancho de pulso con respecto a la línea base de puesta en marcha.

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