エキシマパルス電源：EMIフィルタ設計

エキシマパルス電源：EMIフィルタ設計

抽象

ナノ秒エキシマパルスは、直流から数ギガヘルツまでの高調波を含んでいます。フィルタはこれらの高調波を除去し、10ナノ秒のエッジをそのまま残す必要がありますが、この2つの目標は互いに矛盾します。本稿では、パルススペクトルの計算、2段フィルタの設計、4つの電界故障モード、およびギガヘルツ周波数で減衰を実際に実現するコンデンサパラメータについて説明します。

はじめに

エキシマレーザー光源は、立ち上がり時間が10ナノ秒から50ナノ秒、パルス幅が25ナノ秒から200ナノ秒のパルスを出力する。この波形は正弦波ではなく、そのスペクトルは直流から数ギガヘルツまで及ぶ。

これらの高調波は電源からケーブルや空気を通して放出されます。そして制御回路に到達し、センサー信号を劣化させ、製品の放射制限値を超えさせてしまうのです。

高調波を除去するフィルタは、パルスの立ち上がりエッジも遅くする。設計上の課題は、不要なエネルギーを減衰させ、放電を運ぶパルスを通過させることである。

この記事では、スペクトル計算、電源内部のEMI発生源、2段階フィルタ方式、4つの故障モード、および1GHzでの減衰が維持されるかどうかを決定するコンポーネントパラメータについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 パルススペクトルと最初のヌル点

パルススペクトルの包絡線は、立ち上がり時間によって決まるsinc関数に従う。

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

ここで、A(f)は周波数fにおけるスペクトル振幅、A_peakはピークスペクトル振幅、t_riseはパルス立ち上がり時間である。

t_rise = 10 ns の場合、最初のヌル点は f = 100 MHz で発生し、それより上の周波数ではエンベロープは約 -20 dB/decade の割合で減衰します。1 GHz におけるエネルギーは依然として基本周波数より約 40 dB 低く、伝導性放射試験に不合格となるレベルです。

2.2 フルパルススペクトル

実際のパルスは立ち上がり、立ち下がり、幅が有限であるため、エンベロープには2つのsinc項が含まれる。

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

ここで、F(f)はスペクトル振幅、Aはパルス振幅、t_pulseはパルス幅、t_riseは立ち上がり時間である。

t_rise = 10 ns、t_pulse = 50 ns の場合、基本波は 1/t_pulse、つまり 20 MHz に位置します。最初のヌル点は 1/t_rise、つまり 100 MHz に位置します。どちらの角も波形から直接得られ、放電回路が変化すると両方とも移動します。

2.3 電源内部のEMI発生源

4つの発生源が放射を支配している。IGBTの遷移は、dV/dtが1 kV/ns以上、di/dtが1 kA/ns以上に達する。コンデンサバンクは5 MHzから50 MHzの間でリンギングを起こす。スナバダイオードは、trrが25 nsから100 nsの間で回復する。バスバーは100 MHz以上でアンテナとして機能する。

各音源は、ケーブルを介した伝導、または空気を介した放射によって結合する。フィルタは伝導経路を検出し、レイアウトは放射経路を決定する。

2.4 カットオフ周波数と成分値

ローパスLC回路は、インダクタンスとキャパシタンスからその特性範囲を決定します。

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

ここで、f_cutoffはコーナー周波数、L_filterはフィルタのインダクタンス、C_filterはフィルタの容量である。

f_cutoff = 50 MHz、C_filter = 1 nF の場合、L_filter は約 100 nH になります。そして、そのカットオフ周波数より上の周波数では、2 次段の減衰率は -40 dB/decade となります。

2.5 パルス立ち上がり時間と減衰損失

フィルターはパルスに独自の立ち上がり時間を加える。

t_rise_filter ≈ 0.35 / f_cutoff

ここで、t_rise_filterはフィルタによって生じる立ち上がり時間、f_cutoffはカットオフ周波数です。50MHzではフィルタによって7nsが加算されるため、10nsのパルスは17nsになります。

高周波におけるコンデンサのインピーダンスは、そのESL（等価直列インダクタンス）に由来する。

Z_C = 2π × f × ESL

ここで、Z_Cはコンデンサのインピーダンス、fは周波数、ESLは等価直列インダクタンスである。1GHzでは、ESLが50nHの場合、314Ωとなる。

減衰抵抗器は、パルスごとにフィルタのインダクタンスに蓄積されたエネルギーを消費します。

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF

ここで、P_dampは平均損失、L_filterはフィルタのインダクタンス、I_peakはパルス電流、PRFはパルス繰り返し周波数です。6kHzでは、この負荷は50Wから100Wに達し、抵抗器はそれを連続的に流す必要があります。

図1 — 10 nsの立ち上がりにより、最初のスペクトルヌルは100 MHzに位置します。50 MHzと500 MHzのペアにより、1 GHzでエンベロープが約100 dB低下します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：排出ガス規制値を満たすにはカットオフ値が高すぎる

100MHzに単一ステージを配置した場合、1GHzでは約-20dBしか残らなかった。電源は伝導性エミッション試験に合格せず、その解決策として、独自のコストと容積を伴う外部フィルタボックスが開発された。

スペクトル計算は最初から可能だった。エネルギーがどこに集中しているかを調べる前に、コーナー周波数が決定されていた。

問題点2：エッジを遅くする過大なインダクタ

600 nHのインダクタンスによってフィルタの立ち上がり時間が20 nsを超えた。パルス幅が広がり、放電電流が低下し、レーザー出力エネルギーが仕様値から外れた。

当初、サービス部門はガスの混合比、そして光学系に問題があると考えた。しかし、フル電圧プロトタイプで測定したパルス波形から、フィルターが原因であることが分かった。

問題点3：減衰を除去するコンデンサESL

50 nHの等価直列インダクタンス（ESL）を持つフィルタコンデンサは、1 GHzにおいて314 Ωの抵抗値を示します。この周波数では接地へのシャント経路が開放されているため、高調波は通過し、減衰は部品の自己共振周波数で停止します。

フィルターは1MHzから30MHzまで正確に測定された。100MHz以下のすべてのベンチテスト結果は規格に適合しており、放射不良は帯域の上限付近でのみ発生した。

問題点4：ダンピング抵抗器が過熱する

低レートのベンチテストデータに基づいて選定したダンピング抵抗器は、6kHzのPRFで80Wの電力を消費した。放熱経路がない場合、抵抗器は1回のシフトで限界に達し、値が変動した。

すると、フィルタの応答特性は抵抗値に応じて変化し、減衰量が減少すると同時に損失が増加した。これらの現象はいずれも、連続使用を想定して設計されていない部品の存在を示唆していた。

問題点5：フィルターがソースから離れた場所に設置されている

スイッチング段から150mmの位置に配置されたフィルタは、接続ループを放射体として機能させた。測定された放射レベルは、同じフィルタをソース端子に設置した場合よりも12dB高かった。

回路図には同一のネットワークが示されていた。レイアウトのみが異なり、そのレイアウトが100MHz以上の周波数における結果を左右した。

4. 設計手順

戦略1：スペクトルを計算し、問題となる周波数を特定する

測定された立ち上がり時間からA(f)を計算し、50 nsパルスの場合の基本周波数を20 MHz、最初のヌル点を100 MHzに記録してください。エンベロープが制限線より上にある周波数をリストアップしてください。

次に、それらの周波数を発生源に帰属させます。IGBTのエッジ、バンクリンギング、ダイオードのリカバリ、バス放射はそれぞれ異なる周波数帯域をカバーしており、それぞれ異なる修正方法が必要です。

戦略2：広帯域減衰に2段階を用いる

第1段を50MHzに設定し、C = 1 nF、L = 100 nHとすると、50MHzから500MHzまでの周波数範囲をカバーします。第2段を500MHzに設定し、容量を小さくすると、500MHzから5GHzまでの周波数範囲をカバーします。

このペアは500MHz以上で約-80dB/decadeの割合で減衰するため、10nsのエッジにおける1GHz成分は、生産においてマージンを確保できる限界値よりも十分に低い値に収まります。

戦略3：ESLには容量だけでなくコンデンサも選択する

選択 N4700 ESLが10 nH以下の部品。1 GHzでは、50 nHの部品の314 Ωではなく63 Ωとなり、シャント経路が全帯域にわたって正常に動作し続ける。

　 HVCT8G 高電流ノードには同軸パッケージが採用されている。電極形状により、端子間隔40mmにおいてループインダクタンスが8nH以下に抑えられ、フィルタコーナーは計算値と一致する。

戦略4：低インダクタンス抵抗器でフィルターを減衰させる

　 HVRGHP ESLが10 nH以下の厚膜部品で、計算された減衰損失の50%増しの定格容量を持つもの。6 kHzの場合、これは100 Wから150 Wの電力を連続的に伝送できる部品を意味します。

抵抗器をコンデンサの端子に取り付け、適切な放熱経路を確保してください。抵抗値が変動するとフィルタの応答特性が変化し、それに伴って減衰量も低下します。

戦略5：パルスエッジを維持し、発生源にマウントする

コーナー周波数を放射制限で許容される最高値に設定し、フル電圧プロトタイプでエッジを確認します。50MHzのコーナー周波数では7ns、100MHzのコーナー周波数では3.5nsのパルス幅が増加するため、減衰量とパルス幅のトレードオフが生じます。

第1段はスイッチング端子に取り付けます。ソースとフィルタ間の接続部は放射器の一部を形成し、測定例ではその150mmで12dBの損失が発生しました。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. エキシマEMIネットワーク用HVCフィルタコンデンサ

このノードにおける選択を左右する3つの要件は、1GHzでシャントできるほど低いESL、フィルタを熱経路から遠ざけるほど低い損失、そして帯域全体でその値を維持する誘電体です。HVCは、東莞にある6,000m²の自社工場で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応するN4700部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• ESLが10 nH未満の場合、1 GHzで314 Ωではなく63 Ωとなるため、シャント経路は高調波が存在する周波数帯域でも依然として機能します。
• 1 MHzにおけるESRが10 mΩ未満であれば、コンデンサのI²R損失はフィルタ全体の損失のごく一部に抑えられ、熱設計上の課題はダンピング抵抗のみとなる。
• tanδが0.1%未満であれば、自己発熱は無視できるレベルに抑えられるため、筐体の温度上昇に伴ってフィルターの応答特性が変化することはありません。
• 定格電圧における部分放電（PD）は5 pC未満です。部分放電遮蔽により、フィルタが除去すべき帯域に独自の広帯域ノイズを注入する内部マイクロアークが除去されます。
• ラジアルリード型とスクリュー端子型の両方で1kVから150kVまでの電圧範囲をカバーしており、1つの誘電体システムで50MHz段、500MHz段、およびダンピングネットワークに対応できます。
• DUV光源フィールドサービスの第一級ブランドのドロップインとして認定され、新しいプラットフォームでレーザーOEMによって指定されています。HVC部品は、電気的パラメータとパッケージ寸法に適合します。 村田 ねじ込み式高電圧コンデンサ。

ステージにシリーズ要素が必要な場合は、 フィルムコンデンサ また、 高速回復ダイオード trrが25～35 nsの場合、減衰経路は次のパルスに回復電荷を追加しません。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチング済みフィルタセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングは、EMIネットワークのスペクトル計算、フィルタトポロジーレビュー、減衰損失解析、パルス波形検証をサポートします。

パルス立ち上がり時間、パルス幅、PRF、および不具合のある周波数帯域をお知らせください。HVCは、部品番号、ESLおよびESR分布、2サンプル評価キットを記載したフィルタ部品表を5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：パルススペクトルはどのように計算すればよいですか？

sinc エンベロープ A(f) ≈ A_peak × sin(π f t_rise) / (π f t_rise) を使用します。t_rise = 10 ns の場合、最初のヌルは 100 MHz に位置します。有限幅の実パルスでは、1/t_pulse に 2 番目の sinc 項が追加され、50 ns パルスの場合、基本周波数は 20 MHz になります。

Q2：フィルターはどのカットオフ周波数を使用すべきですか？

コーナー周波数によって立ち上がり時間が決まるため、放射制限が許す限り高く設定します。50 MHzのコーナー周波数では立ち上がり時間が7 ns増加し、10 nsのパルスが17 nsになります。100 MHzのコーナー周波数では立ち上がり時間が3.5 ns増加し、減衰が少なくなるため、選択はパルス形状に必要なマージンによって決まります。

Q3：フィルタコンデンサがギガヘルツ周波数で減衰しないのはなぜですか？

ESLによってインピーダンスが自己共振周波数より高くなるため、1GHzでは50nHの部品は314Ωとなり、シャント経路の導通が停止します。一方、ESLが10nHの部品は63Ωとなり、高調波がグランドに流れ続けるようになります。

Q4：フィルタの減衰抵抗器はどれくらいの電力を消費しますか？

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF から計算されます。6 kHz の PRF では平均負荷が 50 W ～ 100 W に達するため、抵抗器には 50% のマージンと実際の放熱経路が必要です。放熱経路のない部品は値が変動し、フィルタの応答もそれに伴って変化します。

Q5：フィルターはスイッチング段に設置する必要がありますか？

はい、最初のステージについてはその通りです。ソースから150mm離れた位置にフィルタを取り付けた場合、ソース端子に同じ部品を取り付けた場合と比べて12dB性能が低下しました。これは、接続ループが100MHz以上の周波数で放射するためです。回路図はどちらの場合も同じです。

Q6：なぜ1段階ではなく2段階を用いるのですか？

なぜなら、1つの周波数帯域で30倍の周波数範囲をカバーすることはできないからです。50MHzステージは50MHzから500MHzまでをカバーし、500MHzステージは500MHzから5GHzまでをカバーします。これら2つのステージを合わせると、500MHz以上では約-80dB/decadeの減衰率となり、これは1GHzで10nsのエッジを実現するために必要な減衰率です。

7。 リファレンス

1. E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版​​、ニューネス、2000年。
2. N. モハン、TM アンダーランド、WP ロビンス、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計、第3版、Wiley、2003年。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2、 電子機器の信頼性予測、1995。
4. IEC 60384-1:2021、 電子機器用固定コンデンサ - パート1：一般仕様第6版。ジュネーブ：IEC、2021年。
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6. H. Liu 他、 電磁場がBOPPフィルムコンデンサの部分放電挙動に及ぼす影響IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、第30巻、第6号、2617-2624ページ、2023年。https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
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8. セラミックコンデンサーの利用 3 kV (C0G/NP0 vs X7R/Y5S の安定性に関する議論)、Forum Retrotechnique、https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 。
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10. 未来を支える電力：高電圧MLCCが現代の電子機器の効率性をどのように向上させるか、村田製作所、https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html 。
11. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com