엑시머 펄스 전원 공급 장치: EMI 필터 설계

엑시머 펄스 전원 공급 장치: EMI 필터 설계

추상

나노초 엑시머 펄스는 직류(DC)부터 수 기가헤르츠(GHz)에 이르는 고조파를 포함합니다. 필터는 이러한 고조파를 제거하고 10나노초 대역의 펄스 가장자리는 그대로 유지해야 하는데, 이 두 가지 목표는 서로 상충됩니다. 이 글에서는 펄스 스펙트럼 연산, 2단 필터 설계, 네 가지 현장 고장 모드, 그리고 기가헤르츠 주파수에서 실질적인 감쇠를 가능하게 하는 커패시터 파라미터에 대해 설명합니다.

1. 소개

엑시머 레이저 전원 공급 장치는 10~50ns의 상승 시간과 25~200ns의 폭을 가진 펄스를 생성합니다. 이 파형은 정현파가 아니며, 그 스펙트럼은 직류(DC)에서 수 기가헤르츠(GHz)까지 분포합니다.

이러한 고조파는 전원 공급 장치에서 케이블을 통해 공기 중으로 방출됩니다. 제어 전자 장치에 도달하여 센서 신호를 왜곡하고 제품이 배출 한도를 초과하게 만듭니다.

고조파를 제거하는 필터는 펄스 가장자리의 속도도 늦춥니다. 설계상의 문제는 원치 않는 에너지는 감쇠시키고 방전을 전달하는 펄스는 통과시키는 것입니다.

이 글에서는 스펙트럼 계산, 전원 공급 장치 내부의 EMI 발생원, 2단계 필터 방식, 네 가지 고장 모드, 그리고 1GHz에서 감쇠 성능이 유지되는지 여부를 결정하는 구성 요소 매개변수에 대해 다룹니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 펄스 스펙트럼 및 첫 번째 널점

펄스 스펙트럼의 포락선은 상승 시간에 의해 결정되는 sinc 함수를 따릅니다.

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

여기서 A(f)는 주파수 f에서의 스펙트럼 진폭이고, A_peak는 피크 스펙트럼 진폭이며, t_rise는 펄스 상승 시간입니다.

t_rise = 10 ns일 때 첫 번째 널(null)은 f = 100 MHz에서 나타나고, 그 이상에서는 엔벨로프가 약 -20 dB/decade로 감소합니다. 1 GHz에서의 에너지는 여전히 기본 주파수보다 약 40 dB 낮으며, 이는 전도성 방출 테스트를 통과하기에 충분합니다.

2.2 전체 펄스 스펙트럼

실제 펄스는 유한한 상승, 하강 및 폭을 가지므로 엔벨로프에는 두 개의 sinc 항이 포함됩니다.

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

여기서 F(f)는 스펙트럼 진폭, A는 펄스 진폭, t_pulse는 펄스 폭, t_rise는 상승 시간입니다.

t_rise = 10 ns, t_pulse = 50 ns일 때 기본 주파수는 1/t_pulse, 즉 20 MHz에 위치합니다. 첫 번째 널점은 1/t_rise, 즉 100 MHz에 위치합니다. 두 코너 모두 파형에서 직접 나타나며, 방전 회로가 변경될 때 함께 이동합니다.

2.3 전원 공급 장치 내부의 EMI 발생원

방출에는 네 가지 주요 원인이 있습니다. IGBT 전이는 dV/dt가 1kV/ns 이상, di/dt가 1kA/ns 이상에 도달합니다. 커패시터 뱅크는 5MHz에서 50MHz 사이에서 진동합니다. 스너버 다이오드는 trr이 25ns에서 100ns 사이입니다. 버스 바는 100MHz 이상에서 안테나 역할을 합니다.

각 소스는 케이블을 통한 전도 또는 공기를 통한 방사 방식으로 결합합니다. 필터는 전도 경로를 감지하고, 배치에 따라 방사 경로가 결정됩니다.

2.4 차단 주파수 및 구성 요소 값

저역 통과 LC 스테이지는 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 결정됩니다.

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

여기서 f_cutoff는 차단 주파수, L_filter는 필터 인덕턴스, C_filter는 필터 커패시턴스입니다.

차단 주파수(f_cutoff)가 50MHz이고 필터 용량(C_filter)이 1nF일 때, 필터 저항(L_filter)은 약 100nH가 됩니다. 이후 2차 필터단은 해당 차단 주파수 이상에서 -40dB/decade로 감쇠합니다.

2.5 펄스 상승 시간 및 감쇠 손실

필터는 펄스에 자체 상승 시간을 추가합니다.

t_rise_filter ≈ 0.35 / f_cutoff

여기서 t_rise_filter는 필터에 의해 추가되는 상승 시간이고 f_cutoff는 차단 주파수입니다. 50MHz에서 필터는 7ns를 추가하므로 10ns 펄스는 17ns가 됩니다.

고주파수에서 커패시터의 임피던스는 ESL(Electrospray Layer)에서 비롯됩니다.

Z_C = 2π × f × ESL

여기서 Z_C는 커패시터 임피던스, f는 주파수, ESL은 등가 직렬 인덕턴스입니다. 1GHz에서 50nH의 ESL은 314Ω에 해당합니다.

감쇠 저항기는 매 펄스마다 필터 인덕턴스에 저장된 에너지를 소모합니다.

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF

여기서 P_damp는 평균 소산, L_filter는 필터 인덕턴스, I_peak는 펄스 전류, PRF는 펄스 반복 주파수입니다. 6kHz에서 해당 부하는 50W에서 100W에 이르며, 저항은 이를 지속적으로 감당해야 합니다.

그림 1 — 10ns 상승은 100MHz에서 첫 번째 스펙트럼 널을 생성합니다. 50MHz 및 500MHz 쌍은 1GHz에서 엔벨로프를 약 100dB만큼 낮춥니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 배출 제한을 충족하기에는 차단값이 너무 높게 설정됨

100MHz에 배치된 단일 스테이지는 1GHz에서 약 -20dB의 감쇠율만 보였습니다. 전원 공급 장치는 전도성 방출 테스트에 실패했고, 해결책은 자체적인 비용과 부피를 수반하는 외부 필터 박스를 사용하는 것이었습니다.

스펙트럼 계산은 처음부터 가능했습니다. 코너 주파수는 에너지 분포를 살펴보기 전에 이미 선택되었습니다.

문제점 2: 과도하게 큰 인덕터로 인해 에지 반응 속도가 느려짐

600nH 인덕터로 인해 필터 상승 시간이 20ns를 초과했습니다. 펄스가 늘어나고 방전 전류가 감소했으며 레이저 출력 에너지가 규격 범위를 벗어났습니다.

서비스팀은 처음에는 가스 혼합 비율을 문제 삼았고, 그 다음에는 광학 장치를 문제 삼았습니다. 하지만 고전압 프로토타입에서 측정한 펄스는 필터가 원인임을 보여주었습니다.

문제점 3: 감쇠를 제거하는 커패시터 ESL

50nH의 등가저항(ESL)을 갖는 필터 커패시터는 1GHz에서 314Ω의 저항값을 나타냅니다. 이 주파수에서 접지로의 션트 경로가 열려 있으므로 고조파가 통과하고 감쇠는 부품의 자체 공진 주파수에서 멈춥니다.

필터는 1MHz에서 30MHz까지 정확하게 측정되었습니다. 100MHz 미만의 모든 벤치마크 결과는 기준을 충족했으며, 방출 불량은 대역의 고주파수 영역에서만 나타났습니다.

문제점 4: 과열되는 감쇠 저항기

저속 벤치마크 데이터를 기반으로 크기를 조정한 감쇠 저항기는 6kHz PRF에서 80W의 전력을 소모했습니다. 열 전달 경로가 없을 경우, 한 번의 교대 근무 내에 한계에 도달했고 값이 변동했습니다.

필터 응답은 저항값에 따라 변했고, 감쇠는 감소하는 동시에 손실은 증가했습니다. 이러한 두 가지 현상은 연속 작동을 고려하여 설계되지 않은 부품이 문제임을 시사했습니다.

문제점 5: 필터가 음원으로부터 멀리 떨어져 설치됨

스위칭 스테이지에서 150mm 떨어진 곳에 설치된 필터는 연결 루프에서 방사체 역할을 했습니다. 측정된 방출량은 동일한 필터를 소스 단자에 설치했을 때보다 12dB 더 높았습니다.

회로도는 동일한 네트워크를 보여주었습니다. 레이아웃만 달랐고, 그 레이아웃이 100MHz 이상의 결과에 결정적인 영향을 미쳤습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 스펙트럼을 계산하고 문제 주파수를 파악합니다.

측정된 상승 시간으로부터 A(f)를 계산하고, 50ns 펄스에 대해 기본 주파수가 20MHz, 첫 번째 널점이 100MHz임을 기록하십시오. 엔벨로프가 제한선 위에 위치하는 주파수를 나열하십시오.

그런 다음 해당 주파수를 소스에 할당합니다. IGBT 에지, 뱅크 링잉, 다이오드 복구 및 버스 방사는 각각 다른 대역을 담당하며 각각 다른 해결 방법을 가지고 있습니다.

전략 2: 광대역 감쇠에 2단계 방식을 사용

1단계는 50MHz에서 500MHz까지의 주파수 범위를 커버하도록 C = 1nF, L = 100nH로 설정합니다. 2단계는 500MHz에서 500MHz까지의 주파수 범위를 커버하도록 더 작은 용량으로 설정합니다.

이 쌍은 500MHz 이상에서 약 -80dB/decade로 감소하므로 10ns 에지의 1GHz 성분은 생산 과정에서 여유를 확보할 수 있을 만큼 충분히 제한치 아래로 떨어집니다.

전략 3: ESL을 고려하여 커패시터를 선택할 때 단순히 용량만 고려하지 마십시오.

선택 N4700 ESL이 10nH 미만인 부품을 사용합니다. 1GHz에서 이는 50nH 부품의 314Ω 대신 63Ω에 해당하며, 이는 션트 경로가 전체 대역에서 작동하도록 유지합니다.

HVCT8G 고전류 노드에 동축 패키지를 사용합니다. 전극 형상은 40mm 단자 간격에서 루프 인덕턴스를 8nH 미만으로 유지하며, 필터 코너는 계산된 값과 일치합니다.

전략 4: 낮은 인덕턴스 저항을 사용하여 필터의 감쇠를 높입니다.

HVRGHP ESL이 10nH 미만인 후막 부품은 계산된 감쇠 손실보다 50% 높은 정격 용량을 갖습니다. 6kHz에서 이는 100W에서 150W의 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 부품을 의미합니다.

저항기를 커패시터 단자에 연결하여 제대로 된 열 전달 경로를 확보하십시오. 저항값이 변동하면 필터 응답이 변하고, 그에 따라 감쇠율도 감소합니다.

전략 5: 펄스 가장자리를 유지하고 소스에 장착합니다.

방출 제한이 허용하는 최대 주파수로 코너 주파수를 설정한 다음, 전체 전압 프로토타입에서 에지를 확인합니다. 50MHz 코너 주파수는 7ns를 추가하고, 100MHz 코너 주파수는 3.5ns를 추가하므로, 감쇠와 펄스 폭 사이의 균형을 고려해야 합니다.

첫 번째 단계를 스위칭 단자에 장착하십시오. 소스와 필터 사이의 연결부는 방사체의 일부를 형성하며, 측정 결과 150mm의 경우 12dB의 손실이 발생했습니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 엑시머 EMI 네트워크용 HVC 필터 커패시터

이 노드에서 N4700을 선택할 때 고려해야 할 세 가지 핵심 요소는 다음과 같습니다. 1GHz에서 션트할 수 있을 만큼 충분히 낮은 ESL(등가 직렬 손실), 필터가 열 경로에 포함되지 않도록 충분히 낮은 손실, 그리고 대역폭 전체에 걸쳐 일정한 값을 유지하는 유전체입니다. HVC는 동관에 위치한 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 150kV에 이르는 다양한 전압 범위의 N4700 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• ESL이 10nH 미만이면 1GHz에서 314Ω 대신 63Ω이 되므로, 고조파가 발생하는 곳에서도 션트 경로가 여전히 작동합니다.
• 1MHz에서 ESR이 10mΩ 미만이면 커패시터의 I²R 손실이 필터 전체 손실에서 차지하는 비중이 작아지므로, 열 설계에서 고려해야 할 사항은 감쇠 저항만 남게 됩니다.
• tanδ 값이 0.1% 미만이면 자체 발열이 무시할 수 있는 수준으로 유지되므로 인클로저가 가열되더라도 필터 응답이 변하지 않습니다.
• 정격 전압에서 부분 방전(PD)이 5 pC 미만입니다. 부분 방전 차폐는 필터가 정화해야 할 대역에 자체적인 광대역 노이즈를 주입할 수 있는 내부 미세 아크를 제거합니다.
• 1kV에서 150kV까지 방사형 리드 및 나사 단자 형식으로 제공되므로 하나의 유전체 시스템으로 50MHz 스테이지, 500MHz 스테이지 및 감쇠 네트워크를 모두 지원할 수 있습니다.
• HVC 부품은 DUV 광원 현장 서비스 분야에서 최고급 브랜드의 제품으로 바로 교체 가능하며, 레이저 OEM 업체에서 새로운 플랫폼에 적용하는 사양입니다. Murata 나사형 고전압 콘덴서.

무대에 연속적인 요소가 필요한 경우, 다음을 짝지으세요. 필름 콘덴서 와 고속회복 다이오드 trr이 25~35ns일 때, 감쇠 경로는 다음 펄스에 회복 전하를 추가하지 않습니다.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 맞춤형 필터 세트는 6~10주 내에 배송됩니다. HVC 애플리케이션 엔지니어링 팀은 EMI 네트워크에 대한 스펙트럼 계산, 필터 토폴로지 검토, 감쇠 손실 분석 및 펄스 파형 검증을 지원합니다.

펄스 상승 시간, 펄스 폭, PRF 및 불량 주파수 대역을 보내주십시오. HVC는 5영업일 이내에 부품 번호, ESL 및 ESR 분포가 포함된 필터 구성 요소 시트와 2개 샘플 평가 키트를 제공합니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 펄스 스펙트럼은 어떻게 계산하나요?

sinc 엔벨로프 A(f) ≈ A_peak × sin(π f t_rise) / (π f t_rise)를 사용합니다. t_rise = 10 ns일 때 첫 번째 널은 100 MHz에 위치합니다. 유한한 폭을 가진 실제 펄스는 1/t_pulse에 두 번째 sinc 항을 추가하며, 50 ns 펄스의 경우 기본 주파수는 20 MHz가 됩니다.

Q2: 필터는 어떤 차단 주파수를 사용해야 합니까?

방출 제한이 허용하는 한 최대한 높게 설정해야 합니다. 코너 주파수가 추가 상승 시간을 결정하기 때문입니다. 50MHz 코너 주파수는 7ns를 추가하여 10ns 펄스를 17ns로 만듭니다. 100MHz 코너 주파수는 3.5ns를 추가하고 감쇠를 줄이므로, 선택은 펄스 파형에 필요한 여유에 따라 달라집니다.

Q3: 필터 커패시터가 기가헤르츠 주파수에서 감쇠 기능을 제대로 수행하지 못하는 이유는 무엇입니까?

ESL(Electronic Slip Layer)로 인해 임피던스가 자체 공진 주파수 이상으로 설정되기 때문입니다. 1GHz에서 50nH ESL을 가진 부품은 314Ω의 임피던스를 나타내며, 션트 경로는 더 이상 도통되지 않습니다. 반면 10nH ESL을 가진 부품은 63Ω의 임피던스를 나타내어 고조파가 계속 접지로 흐르도록 합니다.

Q4: 필터 감쇠 저항은 얼마나 많은 전력을 소모합니까?

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF 공식을 사용하면, 6kHz PRF에서 평균 부하는 50W에서 100W에 이르므로 저항에는 50%의 여유와 실제 방열 경로가 필요합니다. 방열 경로가 없는 부품은 저항값이 변동하고, 이에 따라 필터 응답도 변합니다.

Q5: 필터는 스위칭 단계에 있어야 합니까?

네, 첫 번째 단계는 그렇습니다. 음원에서 150mm 떨어진 곳에 필터를 설치했을 때, 동일한 부품을 음원 단자에 설치했을 때보다 12dB 정도 성능이 떨어졌습니다. 이는 연결 루프가 100MHz 이상의 주파수를 방사하기 때문입니다. 회로도는 어느 쪽이든 동일합니다.

Q6: 한 단계가 아닌 두 단계를 사용하는 이유는 무엇입니까?

하나의 코너가 30년 범위를 커버할 수 없기 때문입니다. 50MHz 스테이지는 50MHz에서 500MHz까지, 500MHz 스테이지는 500MHz에서 5GHz까지 커버합니다. 이 두 스테이지를 합치면 500MHz 이상에서 약 -80dB/decade의 감쇠율을 보이는데, 이는 1GHz에서 10ns 에지를 구현하는 데 필요한 조건입니다.

7. 참조

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9. 펄스 전원용 커패시터 선택, 전기공학 스택 익스체인지, https://electronics.stackexchange.com/questions/486321/selecting-a-capacitor-for-pulsed-power .
10. 미래를 위한 에너지: 고전압 MLCC가 현대 전자 제품의 효율성을 높이는 방법무라타, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
11. HVC 애플리케이션 엔지니어링 팀, 고전압 세라믹 커패시터 기술 자료, https://www.hv-caps.com