レーザーパルス電源：高電圧ダイオードにおけるアバランシェ降伏

レーザーパルス電源：高電圧ダイオードにおけるアバランシェ降伏

抽象

レーザーパルスノードは、ダイオードを30kV、5kA、50kV/µsの条件で毎秒6000回駆動します。この記事では、アバランシェ増倍、ドーピングによって設定される30kVの降伏電圧、1.6kWの損失に対する16.3kWの発電量、6Jの逆回復バースト、および接合部をアクティブに保つための定格とスナバについて説明します。

はじめに

エキシマレーザーの高電圧ダイオードは、フリーホイール、クランプ、放電スナバ、逆電流遮断などの機能を担います。これらの機能により、ダイオードはパルスのエッジに配置されます。ピーク電圧は20kV～40kV、ピーク電流は1kA～10kA、エッジは10kV/µs～100kV/µsの範囲で変化します。

この現象は3つのメカニズムによって終結します。逆磁界が臨界磁界を超えると、アバランシェ増倍が始まります。生成が散逸を上回ると、熱暴走が発生します。逆回復は、スイッチングイベントごとにエネルギーバーストを発生させます。

それぞれの機構は短絡または断線を引き起こし、保守チームにはそれぞれ異なる故障のように見える。いずれの場合も、電圧オーバーシュートが原因とされている。

この記事では、アバランシェ状態、ドーピングによって設定される絶縁破壊電圧、熱バランス、逆回復電荷とエネルギー、変位電流、4つのフィールド故障モード、および部品を10,000時間保持する定格について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 アバランシェ乗算

シリコンの臨界電界（約3e5 V/cm）を超えると、キャリアは衝撃電離によって電子-正孔対を生成するのに十分なエネルギーを得る。キャリア数は次のように増加する。

M = 1 / [1 − ∫(αn + αp) dx]

ここで、Mは増倍率、αnとαpは電子と正孔の電離係数であり、積分は空乏層の幅にわたって行われる。

両方の係数は磁場とともに増加する。

αn = An × exp(−Bn / E)

ここで、αnは電子の電離係数、AnとBnは材料定数、Eは電界である。シリコンの場合、An = 7e5 cm−1、Bn = 1.2e6 V/cmである。Mはアバランシェ点で際限なく成長する。

2.2 ドーピングによる破壊電圧

破壊電圧は、臨界電界と接合部の光側ドーピング濃度に依存する。

V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd)

ここで、V_brは破壊電圧、εsはシリコンの誘電率、E_cは臨界電界、qは電子電荷、Ndはドナー濃度である。

Nd = 1e14 cm−3、E_c = 3e5 V/cm の場合、V_br は約 30 kV になります。これはレーザー電源ダイオードのクラス値であり、オーバーシュートのある 30 kV の電源電圧に対して余裕がありません。

2.3 接合部における熱バランス

生成される電力には、順方向損失、逆方向漏洩、および回復バーストが加算されます。

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

ここで、P_genは発電電力、V_fとI_fは順方向電圧と順方向電流、V_rとI_rは逆方向電圧と漏れ電流、E_rrはイベントあたりの回復エネルギー、fは繰り返し率である。

V_f = 2 V、I_f = 5 kA、V_r = 30 kV、I_r = 10 mA、E_rr = 1 J、f = 6 kHz の場合、P_gen = 10,000 + 300 + 6,000、つまり 16.3 kW となります。接合部温度 200 °C、周囲温度 40 °C、温度上昇率 0.1 °C/W での放熱量はわずか 1.6 kW です。その後、接合部は熱暴走を起こします。

一回の脈拍における上昇は小さい。

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

ここで、T_j(t)は接合部温度、T_aは周囲温度、R_thは熱抵抗、tは時間、τ_thは熱時定数です。τ_th = 5 ms、t = 100 nsの場合、接合部は72.6 °Cに達します。数十億回のパルスにわたる平均温度が、部品の寿命を決定します。

2.4 逆回収エネルギー

蓄積された少数キャリアは、ダイオードがブロックする前に接合部から出なければならない。蓄積電荷と回復エネルギーは以下の通りである。

Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr

ここで、Q_rrは回復電荷、I_rrはピーク逆回復電流、t_rrは回復時間である。

すると、イベントあたりのエネルギーは次のようになります。

E_rr = V_r × Q_rr

ここで、E_rr は回復エネルギー、V_r は逆電圧、Q_rr は回復電荷です。I_rr = 2 kA、t_rr = 200 ns、V_r = 30 kV の場合、Q_rr = 200 µC、E_rr = 6 J となります。6 kHz では、定格容量のごく一部であるパッケージで 36 kW の電力を供給できます。

2.5 エッジにおける変位電流

接合容量は、電圧が変化するたびに変位電流を流します。

I_disp = C_j × dv/dt

ここで、I_dispは変位電流、C_jは接合容量、dv/dtは電圧スルーレートです。50 kV/µsのエッジにある100 pFの接合では5 Aの電流が流れますが、これは5 kAの順方向パルスよりもはるかに低い値です。100 kV/µsのエッジにある1 nFの接合では100 Aの電流が流れ、チップの局所的な領域が加熱されます。

図1 — 50 kV/µsのエッジが100 pFの接合部に5 Aの電流を流し、20 kV/µsのRCスナバが変位電流を2 Aにカットします。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：電圧オーバーシュートによる雪崩現象

降伏電圧が電源電圧の1.5倍未満の場合、エッジでのオーバーシュートが電源電圧を越える。この電圧増加により電流が上昇し、接合部が数マイクロ秒以内に暴走状態となる。

故障は1,000時間から5,000時間の間に発生し、部品はショート状態を示す。オペレーターはコンデンサまたはスイッチの故障を疑うが、姉妹ダイオードの波形トレースを見ると、ブレークダウンニーが基準線より低い位置にあることがわかる。

問題点２：順方向電流による熱暴走

サージ定格がパルス電流の2倍未満の場合、順方向損失によってチップの温度がパッケージからの熱除去速度よりも速く上昇します。その結果、接合部が暴走し、シリコンが溶融します。

2,000時間から8,000時間の間にダイオードが短絡する。オペレーターは過電圧が原因だと考え、単一パルス中に撮影された熱画像には、狭窄部に溶融箇所が写っている。

問題点３：リバースリカバリの失敗

t_rrが500 ns以上、またはQ_rrが500 µC以上の低速ダイオードは、パッケージが耐えられる以上のエネルギーをリカバリーバーストに投入します。さらに、50 kV/µsのエッジ電圧によって変位電流が加わります。

当該部品は500時間から2,000時間の間に故障する。作業者はスイッチング回路に問題があると指摘し、動作電圧および動作電流における二重パルス測定の結果、故障の原因となった回復電荷が判明した。

問題点4：不均一な電流によるホットスポット

鋭角な角や狭い窪みでは、電流が一箇所に集中する。その場所は平均温度の2～5倍も高温になり、局所的に溶融する。

3,000時間から10,000時間の間に、部品はその一点で故障する。オペレーターは製造上の欠陥を原因として挙げ、最適化された電極パターンを持つ大面積チップによって狭窄が解消される。同じパターンが N4700 コンデンサの電極板と抵抗膜を均一な電流経路に導く。

4. 設計手順

戦略1：ブレークダウンマージンを設定する

ピーク逆電圧の2倍以上の絶縁破壊電圧を指定してください。したがって、30kVノードには60kVの部品が必要です。動作電圧の1.5倍の高電圧試験で値を検証し、定格値だけでなくその電圧レベルでの漏洩も確認してください。

戦略2：サージマージンを設定する

ピークパルス電流の3倍以上の順方向サージ定格を指定してください。したがって、5 kAのノードには15 kAの部品が必要です。動作電流の2倍のパルステストで確認し、ピーク時の順方向電圧をチェックしてください。V_fの上昇は、セクション2.3で説明する発生電力に加算されるためです。

戦略3：回収費用を削減する

ドロップダウンリストから 高速回復ダイオード Q_rrが100 µC未満、t_rrが200 ns未満、または回復電荷がほぼゼロの炭化ケイ素ショットキー素子を使用します。動作電圧と電流でダブルパルス試験を行い、回復電流波形に鋭いスナップがあるかどうかを確認します。

戦略4：節点を減衰させる

dv/dt を 20 kV/µs 未満に抑える RC または RCD スナバを追加します。100 pF の接合部では、変位電流が 5 A から 2 A になります。スナバを臨界減衰に調整して、エッジでのオーバーシュートがスルーレートとともに低下するようにし、リング周波数を次の値と比較します。 フィルムコンデンサ 同一ループ内での自己共鳴。

戦略5：現在の

面積の大きいチップと、接合部全体に電流を供給する電極パターンを使用してください。パルス印加中に赤外線イメージングで電流経路を確認してください。鋭角な部分や狭い狭窄部は、局所的な電流上昇が平均値の2～5倍になるため、使用しないでください。

戦略6：ケースの温度を監視する

ケースの温度は、内蔵の熱電対または赤外線センサーで監視します。上限温度は150℃とし、最初の測定値から20%上昇した場合を交換のトリガーとします。セクション2.3のすべての項において、発生する電力はパルスレートに比例するため、測定値をパルスレートの横に記録してください。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
繰り返しピーク逆電圧	10 kV VRRM	2CLシリーズ、25℃
平均順電流	0.8 A IF(AV)	矩形波、Tc ≤ 85 °C
順方向サージ電流	100 A @ 8.3 ms	単一サージ、IFSM
逆回復時間	1 µs未満 trr	ソフトリカバリーグレード
接合容量	25 pF 標準値	VR = 4 kV、1 MHz
動作温度	−55℃～+125℃	Tj最大値
リーク電流	VRRMで5mA未満	25℃、定格値

5. 高dv/dtパルスノード用HVC高速リカバリダイオード

このノードにおける選択を左右する4つの要件は、レール電圧をはるかに上回る耐圧、パルス電流を上回るサージ定格、小さな回復電荷、そして変位電流を抑制するのに十分な小さな接合容量です。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応する部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 破壊電圧は150kVで、V_brは動作値の2倍以上であるため、40kVレールは100kV/µsのエッジでのオーバーシュートを通してマージンを維持します。
• 5 kAのパルスに対して20 kAのサージ電流定格を持ち、パルス間のパッケージが除去できる範囲内に順方向損失を収めます。
• 制御されたキャリア寿命による回復電荷は50μC未満、回復時間は100ns未満であり、同じノード上の低速部品が示す200μCおよび6Jと比較して優れている。
• 接合容量が50 pF未満であるため、1 nFの部分が100 kV/µsで通過する100 Aではなく、20 kV/µsのエッジで変位電流を1 A付近に抑えることができます。
• チップ全体に電流を分散させ、2～5倍高温になる狭窄部を取り除く最適化された電極パターン。1 kVから150 kVまでの電圧範囲は、クランプ、フリーホイール、スナバノードに供給されます。 ドアノブコンデンサ.
• リソグラフィ光源や6kHz、40kV、100億サイクルの国内DUVツールプログラムを含む高度な光源プラットフォームで認定されています。HVC部品は、以下のパラメータとパッケージ寸法に適合します。 ビシェイ 高電圧ダイオードの範囲。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、カスタムセットは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、復旧特性評価、スナバ設計、熱シミュレーション、サージテスト計画をサポートします。

逆電圧、ピーク順方向電流、エッジレート、繰り返しレート、およびループレイアウトをお送りください。HVCは、5営業日以内に、リカバリデータを含む選定シートと2サンプル評価キットをお送りします。

6。 よくある質問

Q1：30kVレールにはどれくらいの絶縁破壊マージンが必要ですか？

絶縁破壊電圧をレール電圧の2倍以上、つまり60 kVに設定します。V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd) を解くと、ドナー濃度が1e14 cm−3の場合、約30 kVが得られます。これは、50 kV/µsのエッジでのオーバーシュートの余地がありません。30 kVのレール上の30 kV部品は、1,000時間から5,000時間以内にアバランシェ放電を起こします。

Q2：なぜ熱平衡は平衡状態から大きく外れてしまうのでしょうか？

回復バーストが順方向損失に加算されるため、P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f は、5 kA、6 kHz、1 J の回復イベントで 16.3 kW を出力しますが、200 °C の接合部と 0.1 °C/W での損失は 1.6 kW です。発生量が除去率より 1 桁上回るため、接合部は暴走します。

Q3：逆回収エネルギーを削減するにはどうすればよいですか？

回復電荷を削減します。Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr、E_rr = V_r × Q_rr です。I_rr = 2 kA、t_rr = 200 ns、V_r = 30 kV の場合、バーストはイベントあたり 200 µC、6 J です。Q_rr が 50 µC 未満、t_rr が 100 ns 未満の部品を使用すると、同じノードでその値が 4 分の 1 に削減されます。

Q4：スナバ回路は変位電流をどの程度変化させますか？

スルーレートに応じて変化します。I_disp = C_j × dv/dt なので、100 pF の接合部では 50 kV/µs で 5 A、20 kV/µs で 2 A の電流が流れます。スナバ回路を臨界減衰になるように調整し、オーバーシュートがスルーレートとともに減少するようにします。また、リング回路がループの自己共振と一致するかどうかを確認してください。

Q5：新しい部品の場合、最初にどの定格を確認すればよいですか？

降伏電圧をオーバーシュートを含むピーク逆電圧に対して、次にサージ電流をピークパルス電流に対してチェックします。V_brがレール電圧の1.5倍未満の部品はアバランシェを起こし、サージ定格がパルス電流の2倍未満の部品は順方向損失で暴走します。どちらの故障も短絡として現れます。

Q6：ラインが停止する前に、ダイオードの故障を検出するにはどうすればよいですか？

各スタックのケース温度を追跡し、最初の測定値と比較してください。20%の上昇は順方向電圧の上昇または回復電荷の増加を示し、150℃が上限です。これに加えて、動作電圧と電流におけるQ_rrの周期的な二重パルス測定を実施してください。

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