レーザー切断用高電圧電源における高周波スパイクの遮断

レーザー切断用高電圧電源における高周波スパイクの遮断

抽象

レーザー切断電源の出力ノードには、定格電圧の1.5倍から3倍の電圧で50～500ナノ秒のスパイクが発生します。ダイオードの回復、ケーブルの反射、アーク点火など、あらゆる信号がこのノードに伝わりますが、制御ループは動作が遅すぎて対応できません。本稿では、スパイク振幅、シャントインピーダンス、直列分割、クランプエネルギーを導出し、階層型ネットワーク、4つの課題点、6つの設計手順を示します。

はじめに

レーザー切断電源は、フォロワーケーブルを介して切断ヘッドに10kVの電圧を供給します。この同じ箇所が、機械内で最も早く損傷を受ける箇所です。稼働中の機械で200MHzプローブを用いて出力を監視したところ、定格電圧の1.5倍から3.1倍の電圧で、1時間あたり1万～100万回のスパイクが記録されました。

3つの電源がノードに電力を供給します。出力ダイオードの逆回復により、1～5μHの浮遊インダクタンスに対してリングが発生し、1～5kVに達します。容量性ヘッドは、入射波を+1に近い係数で反射するため、局所電圧が2倍になります。アーク点火により、負荷インピーダンスが数マイクロ秒で崩壊し、ケーブルのエネルギーが電源インダクタンスに放電されます。

制御ループは役に立たない。その帯域幅は20kHz以下に抑えられ、保護回路の応答時間は1µs以下である。200nsの事象は、どちらの回路も動作する前に終了してしまう。傍受は出力ノードで受動的に行う必要があり、ナノ秒単位で動作しなければならない。

ノードを開放したままにしておくことによるペナルティは測定可能です。インターセプトネットワークのない機械は、インターセプトネットワークのある機械に比べて、切断ヘッド絶縁体の摩耗が2.4倍速いことが示されました。ヘッドアセンブリの交換費用は1,500ドルから5,000ドルです。

2. コアメカニズム

2.1 ダイオード回復時のスパイク振幅

出力ループ内の浮遊インダクタンスは、逆回復電流の傾きを電圧に変換する。

V_spike = L_stray × dI_rr/dt

ここで、V_spikeはスパイク振幅、L_strayはループインダクタンス、dI_rr/dtは逆回復電流勾配である。

逆回復勾配は10⁹ A/sに達します。ループインダクタンスが1～5 µHの場合、ケーブルの影響を加える前に、この項だけで1～5 kVの電圧が発生します。ヘッド部では、測定された振幅は公称出力の1.5倍から3.1倍とさらに高くなります。

2.2 スパイク帯域におけるシャントインピーダンス

出力端子間に並列接続されたコンデンサは、ノードにおけるスパイクエネルギーを吸収します。そのインピーダンスは、部品およびその取り付けループの静電容量とインダクタンスによって決まります。

Z_c(f) = 1/(2πfC) + 2πf × ESL

ここで、Z_cはシャントインピーダンス、fは周波数、Cは静電容量、ESLはコンデンサとそのループの等価直列インダクタンスである。

10 MHzにおいて、10 nFの容量と10 nHのループインダクタンスを持つ部品は、容量から1.59 Ω、インダクタンスから0.63 Ωの抵抗値を示します。この2つの項は、15.9 MHz付近の自己共振点で交わるため、Z_cは10 MHzで2.2 Ω、20 MHzで2.05 Ωとなります。

2.3 頭部節における減衰

スパイクは、サージインピーダンスZ0のケーブル上を進行波としてヘッドに到達する。この波は、シャントインピーダンスを介して分割される。

V_node / V_incident = 2 × Z_shunt / (2 × Z_shunt + Z0)

ここで、V_nodeはヘッドに残る電圧、V_incidentは入力スパイク、Z_shuntはシャントインピーダンス、Z0はケーブルサージインピーダンスである。

50Ωケーブルの両端に2.05Ωの抵抗がある場合、比率は0.076となり、これは22dBに相当します。ループインダクタンスが200nHのフィルムシャントは20MHzで25Ωに達するため、比率は0.50に低下し、減衰は6dBになります。スパイクエネルギーの4分の3はその後、頭部へと伝わります。

2.4 直列分割とクランプエネルギー

電源とケーブル間の直列インピーダンスにより、反射されたスパイクはスイッチング段に到達する前に分割される。

V_source_spike = V_cable_spike × Z_source / (Z_source + Z_series)

ここで、V_source_spikeは出力ダイオードに到達するスパイク、V_cable_spikeはケーブル上で反射されるスパイク、Z_sourceはソース側のインピーダンス、Z_seriesは直列接続されたインピーダンスです。Z_sourceが100Ω付近にある場合、100Ωの素子によってスパイクは半減します。

クランプはヘッドの上限を設定し、エネルギーバランスは各イベントがネットワークに渡すものを決定します。

V_head_max = V_bus + V_clamp

E_spike = ½ × C_out × (V_peak² − V_clamp²)

ここで、V_head_maxは最高ヘッド電圧、V_busは電源出力、V_clampはクランプ電圧、E_spikeはイベントあたりのエネルギー、C_outはシャント容量、V_peakは入力スパイク振幅です。

10 kVの電源に3 kVのクランプ電圧をかけると、ヘッドは定格電圧の13倍にあたる1.3 kVに保持されます。この状態で15 kVのサージ電圧が発生すると、ネットワークに0.28 Jのエネルギーが流れます。測定されたイベント発生率では、これは平均0.8 Wから78 Wに相当するため、電圧定格だけではこの負荷に耐えられません。

図1 — 30kVのスパイクが左側から入力され、シャント、直列素子、クランプによってヘッドノードは13kVに保持されます。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：シャント自体のインダクタンスが遮断効果を阻害する

10 nF フィルムコンデンサ ループインダクタンスが200 nHの場合、スパイクが発生する周波数帯である20 MHzで25 Ωの抵抗値を示します。このように構築されたネットワークでは、6 dBの減衰が測定され、スパイクエネルギーの4分の3がヘッドに伝達されました。同じ容量をセラミックパッケージに収め、ループを30 nH未満に抑えると、22 dBの減衰が得られます。

問題点2：急激なエネルギー増加によりネットワークが疲弊する

クランプとシャントは、1時間あたり10⁴～10⁶回のイベントを吸収する必要があります。パルス定格のないフィルムコンデンサやアバランシェダイオードは、この負荷条件下でドリフトします。クランプ電圧が変動し、シャントのESRが上昇し、減衰が低下しますが、アラームは鳴りません。イベント発生率が最大の場合、ネットワークは78Wの電力を消費します。

問題点３：ケーブルが持つスパイクを放射する

ネットワークとヘッド間のケーブルを流れるスパイク電流は、スパイク周波数で放射されます。ソースノードで完全に遮断できたとしても、その電流はヘッドセンサーチェーンに結合し、穿孔サイクルごとにフォーカス制御を妨害します。

問題点4：パルス忠実度に対するスパイク減衰

スパイクを除去するフィルタリングは、意図的なパルスエッジも丸めてしまう。ヘッドにおけるdV/dtが小さくなると、貫通時間が長くなり、アーク放電が弱まる。ネットワークは、パルスエッジをプロセス要件以下にカットすることなく、スパイクを定格電圧の1.3倍以下に抑える必要がある。

4. 設計手順

戦略1：出力側に低ESLセラミックシャントを使用する

10 nFを配置する N4700 出力端子間にクラスIコンデンサを直接接続します。ラジアルリードとネジ端子パッケージにより、取り付けループは30 nH以下に抑えられ、スパイク帯域全体でインピーダンスが2 Ω付近に維持され、ヘッドに到達するスパイクを20 dB以上低減します。

戦略2：電源とケーブルの間に直列デカップリングを追加する

ソース出力とケーブルの間に50～150Ωを挿入してください。非誘導性を使用してください。 厚膜抵抗器 巻線部品の代わりに、この素​​子は10MHz以上の周波数でも動作します。分割することで、ソースにおける反射スパイクが半減し、出力ダイオードとトランスがシールドされます。

戦略3：高速アバランシェダイオードでヘッドノードをクランプする

応答時間が5 ns以下のアバランシェダイオードをネットワークのヘッド側に配置し、クランプ電圧を定格電圧の1.3倍に設定します。10 kV電源の場合、クランプ電圧は3 kV、ヘッド側天井電圧は13 kVとなり、3倍の電圧変動がヘッド絶縁体やコネクタに及ばないようにします。

戦略4：RCダンパーをシャントと連動させる

出力端のシャント抵抗の隣に、10～50Ωの抵抗と1nFのコンデンサを直列に接続します。このダンパーは、各スパイクに続くリンギングを吸収し、ネットワークの自己共振時に減衰振動がヘッドにストレスを与えるのを防ぎます。

戦略5：200MHz測定でネットワークを検証する

200MHzプローブを用いて、貫通時および切断時のヘッドノード波形を測定してください。ネットワークは、スパイク電圧を定格電圧の1.3倍以下に抑え、1µs以内に安定する必要があります。そうでない場合は、ネットワークのループインダクタンスを低減する必要があります。

戦略6：ネットワークコンデンサの部分放電をスクリーニングする

ネットワーク内のすべてのコンデンサは、定格電圧において部分放電（PD）を5 pC未満に維持する必要があります。シャント内部で5～50 pCの放電が発生すると、出力にバースト放電が生じ、除去対象であったスパイクが、同じ損傷ポテンシャルを持つより緩やかなアーティファクトに置き換わってしまいます。

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. 出力ノード用HVC N4700コンデンサ

減衰は、シャントインピーダンスが維持されるときに維持されます。HVCは、この目的のために、ダイオードやネットワークを構成する直列素子とともに、N4700クラスIコンデンサを、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから100kVまでの電圧範囲で製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 低ESL、高周波シャント。ESLが30nH以下のHVCパッケージは、10～50MHzの周波数帯域でシャント効果を維持し、高ESLのフィルム部品では達成できない20dBの減衰量を実現します。
• パルスエネルギー耐性。N4700クラスI誘電体と電極構造は、1時間あたり10⁵～10⁶回のパルスエネルギーを吸収し、静電容量のドリフトやESRの上昇がないため、ネットワークは稼働中に摩耗しません。
• 定格電圧における部分放電は5 pC未満です。工場出荷時の部分放電防止処理により、シャントとダンパーが自身の放電バーストを出力ノードに注入するのを防ぎます。
• 温度変化に関わらず安定したインピーダンス。±30 ppm/℃の温度係数と0.1%未満の損失係数により、機器の温度上昇に関わらずネットワークインピーダンスは一定に保たれるため、試運転時に測定された減衰量は、シフト終了時にもそのまま減衰量として得られます。
• 出力電圧範囲は全範囲をカバー。1 kV の補助ネットワークから 40 kV の出力段まで、レーザー出力ノードと出力をカバーします。 高速回復ダイオード 同じ資格認定実行内で指定できます。
• 実績のある代替品。40kV / 441シリーズ ドアノブコンデンサ は、 村田 リソグラフィ光源の現場修理プログラムではネジ式コンデンサが使用されており、DUV開発者は現在、新しい光源にHVC部品を指定するようになっている。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、マッチング済みネットワークセットは6～10週間で出荷されます。HVCのアプリケーションエンジニアリング部門は、シャント選定、直列素子サイズ選定、クランプ協調、200MHz検証をサポートします。出力電圧、スパイク振幅、イベントレート、および取り付け図面をお送りください。HVCは、5営業日以内に部分放電データとパルス寿命レポートを含むネットワーク選定シートをお送りします。

6。 よくある質問

Q1：出力ノードでスパイクが発生する原因は何ですか？

3つの発生源。出力ダイオードの逆回復により、1～5μHの浮遊インダクタンスに対してリングが発生し、1～5kVに達する。容量性ヘッドは、入射波を+1に近い係数で反射し、局所電圧を2倍にする。アーク点火により負荷が数マイクロ秒で崩壊し、ケーブルエネルギーがソースインダクタンスに対してリングする。

Q2：なぜ制御ループはそれらを削除できないのですか？

ループ帯域幅は20kHz以下に抑えられ、保護回路の応答時間は1µs以下である。200nsのイベントはどちらの回路も動作する前に完了するため、ネットワークはパッシブであり、出力ノードに設置する必要がある。

Q3：シャントコンデンサはどれくらいの減衰効果をもたらしますか？

ループインダクタンスが10 nHの10 nFセラミック部品から得られる2.05 Ωの抵抗を50 Ωのケーブルで接続すると、ヘッドは入力スパイクの0.076倍、つまり22 dBの減衰を受ける。ループインダクタンスが200 nHのフィルム部品は、20 MHzで25 Ωの抵抗を示し、減衰はわずか6 dBで、エネルギーの4分の3を通過させる。

Q4：直列インピーダンスはどのように決定すればよいですか？

ソース側のインピーダンス（通常は100Ωに近い値）付近に設定してください。そうすることで、出力ダイオードにおける反射スパイクが半分になります。巻線素子は数メガヘルツ以上の周波数でインピーダンスが低下するため、非誘導性素子を使用してください。

Q5：クランプとシャントはどれだけのエネルギーを必要としますか？

10 kVの電源で、ヘッド上限が13 kVの場合、15 kVのイベントが発生すると、ネットワークに0.28 Jのエネルギーが供給されます。1時間あたり10,000～1,000,000回のイベントが測定された場合、平均消費電力は0.8 W～78 Wとなるため、両方の要素にパルス定格が必要です。

Q6：シャント抵抗にはどのコンデンサを指定すればよいですか？

N4700クラスIセラミックは、定格電圧において、ESLが30nH未満、誘電正接が0.1%未満、PDが5pC未満です。クラスI誘電体によりインピーダンスが安定し、誘電正接が低いため、最大イベントレートでも自己発熱が抑えられます。

7。 リファレンス

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