Fournitures pour lasers excimères : Compression d'impulsions par condensateur non linéaire

Fournitures pour lasers excimères : Compression d'impulsions par condensateur non linéaire

Abstract

La compression d'impulsions fait généralement appel à des commutateurs magnétiques saturables. Un condensateur dépendant de la tension remplit la même fonction de manière passive, car sa fréquence de résonance augmente lorsque la tension augmente et sa capacité diminue.

Sur un front nanoseconde d'excimères, l'effet est plusieurs fois supérieur à la compression d'une partie linéaire, sans noyau, sans inductance saturable et sans perte de commutation. Le coût réside dans une capacité à caractériser en fonction de la tension et de la température, et une énergie stockée nettement inférieure à celle d'une partie linéaire de même valeur nominale.

1. Introduction

La compression d'impulsions transfère l'énergie d'une source à faible puissance de crête sur une longue durée vers une charge à forte puissance de crête sur une courte durée. Les alimentations à excimères utilisent pour cela des commutateurs magnétiques saturables, des inductances dont l'impédance passe d'une valeur élevée à une valeur faible lorsque le noyau est saturé.

Une autre méthode utilise un condensateur non linéaire, dont la capacité diminue lorsque la tension appliquée augmente. On le charge à travers une inductance à partir d'une source de courant continu. Le courant de charge suit une forme d'onde résonante, et sa fréquence augmente à mesure que la tension aux bornes du condensateur augmente et que sa capacité diminue.

La compression résulte de ce changement de fréquence. L'énergie se transfère plus rapidement à haute tension car la fréquence de résonance y est plus élevée ; le cycle de charge complet se termine donc plus vite qu'avec une partie linéaire.

Sur les fronts de 25 à 100 ns nécessaires à une décharge excimère, l'effet est plusieurs fois supérieur à la compression d'un condensateur linéaire de même valeur nominale. Elle ne requiert ni noyau magnétique, ni inductance saturable, ni pertes de commutation supplémentaires.

2. Mécanisme de base

2.1 Caractéristique de capacité en fonction de la tension

Un condensateur non linéaire suit une relation de type loi de puissance entre la capacité et la tension appliquée :

C(V) = C0 / (1 + α × V)^n

où C(V) est la capacité à la tension V en farads, C0 la capacité à tension nulle en farads, α le coefficient de non-linéarité et n un exposant qui varie de 0.5 à 1.0 dans les pièces en céramique.

Prenez 20 nF à zéro volt avec α de 0.02 et n de 0.7. À 30 kV, le dénominateur est 601 élevé à 0.7, soit 88.1, donc la capacité est de 20 nF / 88.1, ce qui est de 0.23 nF.

Le rapport entre zéro volt et la tension maximale est de 88. La forme de la chute est aussi importante que le rapport : la moitié se produit en dessous de 200 V, où la capacité passe de 20 nF à 6.5 nF, et les décades restantes passent lentement à partir de 2 kV.

2.2 Charge par l'intermédiaire d'une inductance

Le condensateur étant chargé à travers une inductance L à partir d'une tension de bus V_bus, la boucle obéit à :

L × dI/dt + V_C(t) = V_bus

où L représente l'inductance de charge en henrys, I le courant de boucle en ampères, V_C(t) la tension du condensateur en volts et V_bus la tension du bus CC en volts. Le courant lui-même dépend de la capacité, qui varie en fonction de la tension, selon la relation I = C(V) × dV_C/dt.

La fréquence de résonance instantanée augmente lorsque la capacité diminue :

ω(V) = 1 / √(L × C(V))

où ω(V) est la fréquence angulaire en radians par seconde, L l'inductance de charge en henrys et C(V) la capacité instantanée en farads.

Avec une inductance de charge de 100 nH, la fréquence initiale est proche de 112 krad/s et augmente d'un facteur √88 lorsque la tension monte. Le pic de courant est atteint plus tôt qu'avec une composante linéaire, et le cycle de charge est plus court.

2.3 Taux de compression

Le gain par rapport à un condensateur linéaire de même valeur nominale est la racine carrée du rapport des capacités :

Compression_Ratio ≈ √(C0 / C(V_bus))

où C0 est la capacité à tension nulle en farads et C(V_bus) la capacité à la tension du bus en farads.

Pour la caractéristique de 2.1, le rapport est de 9.4. Les conceptions publiées avec des coefficients plus doux se situent entre 2 et 5 une fois l'impédance de charge et l'amortissement inclus, et toute valeur dans cette plage supprime toujours un étage magnétique.

Cette estimation est de premier ordre car elle compare les points d'extrémité du balayage. Utilisez-la pour sélectionner la pièce, puis confirmez la forme de l'impulsion sur le prototype.

2.4 Énergie stockée à la tension du bus

L'énergie contenue dans un condensateur non linéaire est l'intégrale de la charge en fonction de la tension, et non le produit linéaire :

E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV

où E est l'énergie stockée en joules, C(V) la capacité dépendante de la tension en farads et V_bus la tension du bus en volts.

Pour la caractéristique 2.1, cette intégrale donne 0.16 J à 30 kV. Un composant linéaire de 20 nF, soumis à la même tension, emmagasine 9 J.

Cet écart permet la compression. Une capacité qui chute d'un facteur 88 ne peut pas stocker la charge d'un composant de 20 nF stable ; un étage non linéaire met donc en forme l'impulsion sans la stocker. Le banc de stockage reste linéaire et est placé en amont, et le bus fournit l'énergie de l'impulsion via l'inductance de charge.

2.5 Forme de l'impulsion à la charge

Lors de la décharge dans la charge laser résistive-inductive, l'impulsion suit la capacité instantanée à chaque tension. Une tension élevée implique une faible capacité et une constante de temps courte, et inversement pour une tension basse.

Il en résulte un front de montée rapide et une queue de décroissance lente, ce qui correspond à la forme recherchée pour une décharge excimère. La décroissance de la queue est déterminée par la capacité basse tension, qui est la valeur maximale du balayage et donc le paramètre qui fixe la largeur d'impulsion.

La pente de décharge suit le courant et la capacité instantanée :

dV/dt = I_peak / C(V)

où dV/dt est la pente au niveau du condensateur en volts par seconde, I_peak le courant de décharge en ampères et C(V) la capacité à la tension instantanée en farads.

Une décharge de 16 kA à 30 kV à travers une capacité effective de 3 nF produit une pente supérieure à 1 kV/ns. Cette pente excite la résonance du banc entre l'inductance et la capacité du bus dans la gamme de fréquences de 10 MHz à 50 MHz.

Fig. 1 — La capacité passe de 20 nF à zéro volt à 0.23 nF à 30 kV sur une échelle logarithmique, la moitié de la chute à l'intérieur des 200 premiers V.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : Forme du pouls qui varie en fonction de la température

Le coefficient de non-linéarité et l'exposant varient tous deux avec la température. Une pièce caractérisée à 25 °C se comprime différemment à 60 °C.

La largeur d'impulsion dérive de 10 à 20 % sur toute la plage de fonctionnement. L'opérateur constate une instabilité du faisceau laser et examine le mélange gazeux ou le système optique ; la cause réside dans la caractéristique de capacité.

Point sensible n° 2 : Énergie stockée bien en dessous d’une partie linéaire

La caractéristique du condensateur 2.1 affiche une énergie de 0.16 J à 30 kV, contre 9 J pour un condensateur linéaire de 20 nF. Cette réduction doit être prise en compte lors de la conception de l'alimentation ; le choix du condensateur seul ne suffit pas.

Le bus et l'interrupteur transportent alors le courant pulsé lorsque la tension est élevée et la capacité faible ; ainsi, l'interrupteur, l'inductance de charge et le système d'isolation sont dimensionnés pour un courant que l'énergie stockée ne décrit pas.

Point sensible n° 3 : La tolérance se transforme en variabilité d’un pouls à l’autre

Une plage de valeurs spécifiée à ±10 % induit un taux de compression de ±5 % et une largeur d'impulsion de ±2.5 %. Sur une impulsion de 50 ns, cela représente ±1.25 ns, ce qui se traduit par une instabilité énergétique d'un tir à l'autre.

La dérive thermique s'ajoute au terme de tolérance. Ensemble, ces deux facteurs atteignent ±5 % de la largeur d'impulsion sur toute la plage de fonctionnement et apparaissent sur le même écran de contrôle de l'énergie.

Point sensible 4 : La pente de décharge provoque une résonance de la berge

La décharge rapide produit une pente supérieure à 1 kV/ns. Cette pente excite la résonance entre l'inductance du bus et la capacité du banc à une fréquence de 10 MHz à 50 MHz.

Les oscillations induisent une surtension de 15 à 25 % sur les condensateurs, un phénomène transitoire proche de la tension d'amorçage des décharges partielles du diélectrique. À terme, cela réduit la durée de vie du composant.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Caractériser la non-linéarité en fonction de la tension et de la température

Mesurez la capacité C(V) à 25 °C, 50 °C et 75 °C et établissez un modèle dépendant de la température à partir des trois courbes. Utilisez ce modèle pour prédire la largeur d'impulsion à chaque température de fonctionnement et dimensionnez le système de contrôle en conséquence.

Utilisez tous les condensateurs de l'étage provenant du même lot de production, afin que la variation d'un lot à l'autre ne s'ajoute pas au terme de température.

Stratégie 2 : Dimensionner le bus et le commutateur pour le courant comprimé

Calculez l'énergie stockée à partir de l'intégrale E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV, et non à partir de ½C0V². Dimensionnez ensuite le commutateur, l'inductance de charge et l'isolation en fonction du courant que l'impulsion comprimée consomme sur le bus.

Pour la caractéristique 2.1, l'intégrale renvoie 0.16 J à 30 kV, et c'est ce chiffre, et non 9 J, que la banque de stockage en amont doit fournir lors de l'étape de charge.

Stratégie 3 : Spécifier la tolérance et la non-linéarité contrôlée

Spécifiez des condensateurs de banc à ±2 % pour maintenir la largeur d'impulsion à ±1 %. Exigez que le coefficient et l'exposant restent à ±10 % sur l'ensemble du lot de production, ce qui garantit la reproductibilité du taux de compression d'une unité à l'autre.

Mesurer et faire correspondre la courbe C(V) de chaque unité lors de la mise en service. N4700 La partie comportant une courbe caractéristique fournit au système de contrôle une référence fixe pour la compensation de température du point de douleur 1.

Stratégie 4 : Amortir la décharge transitoire

Ajouter une résistance de 0.5 Ω à 2 Ω résistance à couche épaisse En série avec le condensateur pour supprimer les oscillations de 10 MHz à 50 MHz. La résistance doit maintenir l'ESL en dessous de 10 nH, sinon elle contribue à la boucle qui crée l'oscillation.

Vérifiez l'amortissement sur un prototype à pleine tension dans le pire des cas, où la capacité instantanée est à son minimum et la pente à son maximum.

Stratégie 5 : Limiter le dépassement

Placer un diode à récupération rapide Appliquez une tension aux bornes de chaque condensateur afin de limiter le dépassement dû à la décharge transitoire. Choisissez un composant dont le temps de récupération inverse est inférieur ou égal à 35 ns et dont la charge de récupération est suffisamment faible pour ne pas injecter de courant pendant le dépassement.

Réglez la tension de limitation de 5 % à 8 % au-dessus de la tension du bus. condensateur à film Un banc de condensateurs et un banc de condensateurs céramiques nécessitent un réglage de limitation différent car leurs courbes de capacité en fonction de la tension diffèrent au niveau de la limitation.

Stratégie 6 : Surveiller la largeur de l’impulsion et la courbe C(V)

Surveillez la largeur d'impulsion mesurée et le point de fonctionnement sur la courbe de capacité pour chaque impulsion. Une variation de la largeur d'impulsion indique une modification de la capacité due au vieillissement ou à la température, et la position sur la courbe permet de distinguer les deux.

Configurez un déclencheur de maintenance lorsque la largeur d'impulsion s'écarte de 5 % de la valeur de référence de mise en service. condensateurs poignée de porte sur les positions remplaçables afin qu'un changement de banque ne nécessite pas une nouvelle configuration de l'étage de compression.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC N4700 pour compression non linéaire

Quatre exigences déterminent le choix de ce nœud : une courbe de capacité caractérisée en fonction de la tension et de la température, un coefficient et un exposant variant à ±10 % sur l’ensemble du lot, un facteur de dissipation suffisamment faible pour que les pertes par décharge restent faibles à une pente de 1 kV/ns, et un niveau de décharge partielle suffisamment bas pour éviter les oscillations associées. HVC fabrique ces composants dans son usine de 6 000 m² à Dongguan, pour une plage de tension allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• Une courbe C(V) d'usine avec le coefficient et l'exposant à l'intérieur de ±10% d'un lot à l'autre rend le taux de compression prévisible d'une unité à l'autre.
• Un coefficient de température de ±30 ppm/°C maintient la position de la courbe stable, de sorte que la largeur de l'impulsion ne dérive pas lorsque l'étage se réchauffe.
• La capacité triée à ±2% limite la variation de largeur d'impulsion à ±1% avant toute compensation de température.
• Un DF inférieur à 0.1 % permet de limiter les pertes I²R par rapport à l'énergie de l'impulsion, ce qui simplifie la conception du refroidissement de l'étage de compression.
• HVRGHP Les résistances d'amortissement avec ESL inférieur à 10 nH suppriment les oscillations de 10 MHz à 50 MHz, et les diodes de limitation à récupération rapide avec une récupération de 25 ns à 35 ns maintiennent le dépassement de 15 % à 25 %.
• Les corps de bornes à vis jusqu'à 40 kV ont été homologués comme solutions de remplacement pour les condensateurs à vis Murata japonais dans les programmes de réparation sur site des sources lumineuses. Les composants HVC correspondent aux paramètres de Murata, les séries haute tension TDK et Vishay.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les kits de compression appariés sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge la caractérisation C(V), la modélisation de la compression d'impulsions et l'examen de la conception de l'amortissement et du serrage.

Veuillez indiquer la plage de tension, la largeur d'impulsion requise, l'inductance de charge, l'impédance de charge et la plage de température de fonctionnement. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés la courbe de capacité en fonction de la tension du composant proposé, une estimation du taux de compression, la valeur de la résistance d'amortissement et un kit d'évaluation à deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Quel est le niveau de compression offert par un condensateur non linéaire ?

L'estimation au premier ordre est √(C0 / C(V_bus)). Un composant avec une capacité de 20 nF à 0 volt et de 0.23 nF à 30 kV a un rapport de 88 et une estimation de 9.4. Les coefficients plus faibles utilisés dans les schémas publiés se situent entre 2 et 5 une fois l'impédance de charge et l'amortissement pris en compte, et toute valeur dans cette plage suffit à supprimer un étage magnétique.

Q2 : Pourquoi l'énergie stockée ne suit-elle pas la règle de ½C0V² ?

Comme la capacité diminue lorsque la tension augmente, la charge s'accumule à un rythme décroissant. La formule correcte est E = ∫₀^V_bus C(V) × V dV, ce qui, pour la caractéristique étudiée, donne 0.16 J à 30 kV contre 9 J pour un composant linéaire de 20 nF. Un étage non linéaire met en forme l'impulsion et un banc de condensateurs linéaires en amont stocke l'énergie.

Q3 : Qu'est-ce qui détermine la forme de l'impulsion au niveau de la charge ?

La capacité instantanée à chaque tension. Une tension élevée implique une faible capacité et une constante de temps courte, d'où une montée rapide du front de décharge ; une tension basse implique une capacité élevée et une décroissance lente, d'où une longue queue de décharge. Cette asymétrie correspond à la dynamique de décharge d'un gaz excimère.

Q4 : Quelle est la stabilité de la largeur d'impulsion en fonction de la température ?

Le coefficient de non-linéarité et l'exposant varient tous deux avec la température ; ainsi, un composant caractérisé à 25 °C présente un comportement différent à 60 °C. La largeur d'impulsion dérive de 10 à 20 % sans compensation. La mesure de C(V) à 25 °C, 50 °C et 75 °C permet d'obtenir le modèle nécessaire au système de contrôle pour sa correction.

Q5 : Qu'est-ce qui provoque un bourdonnement lors de la phase de compression ?

La pente de décharge, qui suit la relation dV/dt = I_peak / C(V) et dépasse 1 kV/ns à haute tension, là où la capacité est minimale, excite l'inductance du bus et la capacité du banc de condensateurs entre 10 et 50 MHz, et génère 15 à 25 % du dépassement sur les condensateurs. Une résistance d'amortissement en série de 0.5 à 2 Ω, avec une inductance équivalente (ESL) inférieure à 10 nH, permet d'atténuer considérablement ce phénomène.

Q6 : Que doit-on inclure dans le moniteur de santé ?

La largeur d'impulsion mesurée et la position du point de fonctionnement sur la courbe C(V) sont indiquées. Une variation de la largeur d'impulsion signifie que la capacité a changé, et la position sur la courbe permet de distinguer un effet de vieillissement d'un effet de température. Le seuil de maintenance est réglé à 5 % de l'écart de largeur d'impulsion par rapport à la valeur de référence de mise en service.

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