准分子激光波形：可饱和电感饱和

准分子激光波形：可饱和电感饱和

抽象

所有固态脉冲调制器都使用一系列可饱和电感器来将脉冲前沿锐化至 20 ns 或 30 ns。其核心还包含剩余磁通、复位要求以及随温度变化的饱和点。本文推导了阻塞时间、可用磁通摆幅和振铃频率，并阐述了这些参数如何决定激光放电是否保持均匀。

1. 引言

在准分子激光器电源中，固态脉冲功率调制器已经取代了闸流管设计。它们具有更长的使用寿命、更高的重复频率和更精确的触发控制。

每个调制器都包含一串可饱和电感器，可以将调制前沿从数百纳秒压缩到 20 纳秒或 30 纳秒。其核心同时充当开关、延迟元件和能量传输元件。

未饱和时，它以高阻抗阻断电压。饱和时，其电感下降两到三个数量级，并将存储的电荷释放到下一级。

调制器的可靠性取决于数据手册很少涵盖的核心行为：剩余磁通量、复位、饱和点的热漂移以及多千赫兹重复频率下的核心损耗。

当磁芯提前或延迟 5 ns 达到饱和时，压缩比会发生偏移，脉冲前沿会失去弹性，放电变得不均匀。运行数据显示，磁芯相关的性能退化导致了约 25% 的脉冲能量不稳定，并且这种故障常常被误诊为电容器或开关故障。

2. 核心机制

2.1 阻断间隔和伏秒乘积

当磁芯保持未饱和状态时，施加的电压会不断累积，直到磁芯达到饱和状态。

T_block = (N × ΔB × A_core) / V_applied

其中 T_block 为阻塞时间，N 为匝数，ΔB 为有效磁通摆幅，A_core 为磁芯横截面积，V_applied 为电感器两端的电压。

如果施加的电压或磁通量摆动发生漂移，阻塞时间也会随之改变。ΔB 减少 5% 会使阻塞间隔缩短 5%，因此磁化前沿到达的时间会比触发预期的时间更早。

2.2 剩磁和磁通重置

每次脉冲结束后，磁芯都会保留剩余磁通。如果没有主动复位，下一个脉冲会在磁通循环的中间位置开始，导致可用磁通量范围缩小。

ΔB_available = B_sat − B_reset

其中 ΔB_available 为可用磁通量摆幅，B_sat 为饱和磁通密度，B_reset 为复位电路在下一个脉冲之前达到的磁通密度。

标准做法是使用复位绕组或谐振复位，使磁芯在脉冲间隔内恢复到设定的复位点，通常介于 −B_r 和 0.1 B_sat 之间。在 6 kHz 频率下，该间隔仅为 167 µs，因此复位时间常数大于 60 µs 会导致磁芯无法完全复位，并且随着脉冲频率的增加，摆幅会减小。

2.3 饱和点的热漂移

饱和磁通密度随温度升高而降低。纳米晶带芯在 25 °C 至 100 °C 之间大约损失 10% 的饱和磁通密度。

在密封机柜中，磁芯的工作温度可能比环境温度高出 40 K 至 60 K，这会缩小可用摆幅并使阻塞时间缩短几个百分点。这种影响会不断叠加：阻塞时间缩短会导致放电电流增大，进而增加损耗，最终使磁芯进一步升温。

2.4 与耦合电容器的相互作用

当达到饱和状态时，耦合电容器中的能量通过饱和电感释放到下一级，并激励一个阻尼环。

f_ring = 1 / (2π × √(L_sat × C_next))

其中 f_ring 为振铃频率，L_sat 为饱和电感，C_next 为下一级的电容。

回路损耗决定了振铃幅度：包括电容等效串联电阻 (ESR)、绕组电阻和阻尼电阻。阻尼过小时，第一次过冲电压会超过设计电压的 120%，这会对介质层和二极管结造成压力。磁芯损耗与 P_core ∝ f × ΔBⁿ 成正比，其中 n 介于 1.6 和 2.2 之间，因此 6 kHz 频率和宽磁通摆幅是最棘手的情况。

图 1 — 超过 60 µs 的复位时间常数导致 ΔB 较短，阻塞时间缩短 5%，最终导致每个脉冲剂量误差为 8%。

3. 工程痛点

痛点 1：磁通重置不完全导致的前端抖动

当复位网络尺寸不足时，核心在进入下一个脉冲时会带有残余磁通，且这种残余磁通会随脉冲变化。此时，阻塞时间会波动 2% 到 8%，并且波前到达时会出现可测量的抖动。在光刻工艺中，这种抖动会转化为剂量误差：在 25 ns 的波前上，2 ns 的抖动会导致 8% 的能量变化，这迫使剂量控制器对更多脉冲进行平均，从而降低光刻效率。

痛点2：高脉搏下核心肌群失控

磁芯损耗随频率和磁通量变化而变化。在 6 kHz 频率下，密封模块内耗散 30 W 功率的磁芯温度会升至 120 °C 附近，此时饱和磁通量 B_sat 下降约 12%，阻塞时间也随之缩短。此时激光器发射时会产生更尖锐但欠压的脉冲前沿，放电变得不稳定，气体提前退化。

痛点3：振铃过冲损坏耦合电容

阻尼过小时，饱和后环电流会达到标称值的 110% 到 125%。如果仅根据直流额定值选择电容器，则会反复出现过电压，内部局部放电会形成树状通道，最终导致密封模块内部短路。由于损坏发生在内部，因此在激光停止工作之前，损坏是肉眼无法察觉的。

痛点 4：组件漂移掩盖核心问题

电容容差±20%和二极管恢复特性展宽±30%掩盖了核心的真实状况。工程师在排查波形异常时可能会更换电容，而真正的原因是饱和点漂移，这样造成的停机时间毫无意义。

4. 设计步骤

策略 1：针对最坏情况区间设计重置网络

调整复位时间常数，使磁通摆幅在最高脉冲频率下，于脉冲间隔的 80% 时间内恢复到 B_sat − 0.1B_sat 的 95% 或以上。对于 6 kHz 的频率，目标复位时间常数应低于 60 µs，并使用复位绕组和可控复位电阻。使用复位绕组上的电流探头确认复位完成，如果在脉冲间隔结束时励磁电流保持平稳，则表明复位已完成。

策略二：将核心温度保持在特征温度±15 K范围内

在工作温度下表征饱和磁场强度（B_sat），并选择在最坏情况下具有 15% 裕量的伏秒乘积。采用强制风冷或液冷，因为必须消除 6 kHz 下的 30 W 损耗。使用热敏电阻监测核心温度，并在温度超过限值时自动降低脉冲频率。

策略三：抑制饱和后的过冲

在耦合电容上串联一个低电感阻尼电阻，以使第一次过冲电压低于设计电压的105%。选择一个 HVRGHP 厚膜部分 ESL 低于 10 nH，因此阻尼元件本身不会增加寄生电感。 厚膜电阻器 在本课程中，保持回路紧密。用快速探针直接测量电容器两端的过冲，并在第一个峰值超过 110% 时，以 10% 的步长逐步增加电阻。

策略 4：根据自谐振和局部放电特性选择电容器

选择耦合电容器时，应使其自谐振频率至少为振铃频率的两倍，且在 1.5 倍工作电压下，PD 值低于 5 pC。 N4700 采用损耗因子低于 0.1% 的 I 类介质，因此该电容器对电路损耗和热漂移的影响可忽略不计。对电容器进行 100% 局部放电检测，因为单个故障单元会掩盖核心故障诊断结果并导致电路不稳定。

策略五：收紧容差并监控波形

电容精度要求为±2%，二极管恢复特性要求为±10%，这样可以将异常情况追溯到核心元件而非被动元件。请使用同一批次的元件。 HVCT8G 将单元置于并联支路中。然后监测每个脉冲的前沿时间和过冲：前沿时间缓慢增加表明饱和带隙 (B_sat) 减小，而恒定充电电压下峰值电流上升表明过早饱和。保持 快速恢复二极管 在夹紧路径中，以便监测前沿保持清洁。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. HVC电容器作为SSPP网络的基准

只有当核心周围的无源网络参数已知时，才能诊断核心行为。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，提供这一基准参数：N4700 陶瓷电容器（1 kV 至 150 kV）、厚膜电阻器和快速恢复二极管。

这里需要考虑的六个参数

• 在温度系数为±30 ppm/°C 的工作范围内，电容变化低于0.35%，因此磁芯所看到的伏秒乘积不会漂移，磁芯诊断与电容器变化保持分离。
• DF低于0.1%，这样可以防止电容器产生自发热，因此核心温度和B_sat仅由核心决定。
• 低 ESL 封装：HVCT8G 径向引线和螺钉端子类型将 ESL 保持在 30 nH 以下，从而使振铃频率和过冲幅度与设计保持一致。
• PD 低于 5 pC，且测试 100%，从而消除了会污染监测波形的内部放电噪声。
• 阻尼回路系列覆盖范围：ESL 低于 10 nH 的 HVRGHP 电阻器和 trr 为 25 ns 至 35 ns 的快速恢复二极管，因此电容器、电阻器和二极管作为一个合格的套装交付。
• 可直接替代日本产品。 村田 光刻光源现场服务中使用的螺钉式电容器，采用同一平台系列中经过生产验证的外壳。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，配套定制件发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程团队提供压缩网络计算、磁通重置和阻尼设计指导、PD 筛选和文档编制、热模拟以及组件选择等方面的支持。

请提供充电电压、脉冲频率、级数、磁芯材料和机柜温度数据。HVC 将在五个工作日内寄回包含自谐振和局部放电数据的组件集以及评估套件。

6. 常见问题

Q1：内核在 6 kHz 频率下需要多长时间才能复位？

6 kHz 频率下的脉冲间隔为 167 µs，因此复位时间常数必须远小于此值。目标是低于 60 µs，并确认在下一个脉冲到来之前，磁通量摆动恢复到 B_sat − 0.1B_sat 的 95% 或以上。

Q2：当核心未完全重置时会发生什么情况？

下一个脉冲从环路中间开始，因此可用磁通量ΔB_available减小，阻塞时间缩短，磁前沿提前到达。由于残余磁通量随脉冲变化，磁前沿抖动2%到8%，而25纳秒磁前沿上的2纳秒抖动相当于8%的能量变化。

Q3：B_sat 随温度变化有多大？

对于 25 °C 至 100 °C 之间的纳米晶带芯，大约有 10% 的偏差。因此，在比环境温度高 40 K 至 60 K 的密封柜中运行，可以缩小磁通量波动，并将阻塞时间缩短几个百分点，因此，应在高温下表征 B_sat，并将芯温保持在该点 ±15 K 的范围内。

Q4：如何控制饱和后的过冲？

在耦合电容上串联一个低电感阻尼电阻，并将第一个峰值电压控制在设计电压的105%以下。使用等效串联电感（ESL）低于10 nH的厚膜电容，直接测量电容两端的电压，如果峰值电压超过110%，则以10%的步长增加电阻。

Q5：为什么铁芯问题看起来像电容器问题？

因为±20%的电容容差和±30%的二极管恢复特性会掩盖核心问题。将无源器件的电容容差和恢复特性的容差分别限制在±2%和±10%之间，就能将异常追溯到饱和点的漂移，从而避免更换完好的电容。

Q6：哪种波形指标最先显示内核退化？

前端抖动。前端时间缓慢增加表明饱和电流 (B_sat) 减小，而恒定充电电压下峰值放电电流上升则表明过早饱和。记录调试时的基线值，因为趋势比任何单个数值都更重要。

7。 参考

1. E. Kuffel、WS Zaengl、J. Kuffel 高电压工程基础知识，第 2 版，Newnes，2000 年。
2. N. Mohan、TM Undeland、WP Robbins 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版，Wiley，2003 年。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2， 电子设备可靠性预测1995。
4. IEC 60384-1:2018， 电子设备用固定电容器——第1部分：通用规范.
5. IEC 61071:2017， 电力电子电容器，第 2 版。日内瓦：IEC，2017 年。
6. IEC 60270:2025， 高压测试技术——基于电荷的局部放电测量，第 4 版。日内瓦：IEC，2025 年。
7. R. Sarathi 和 G. Koperundevi， 利用超高频技术研究直流电压下变压器油中单个导电颗粒的局部放电活动，IET 科学、测量与技术，第 3 卷，第 5 期，第 325-333 页，2009 年。https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136。
8. M. Xiao等人 金属化薄膜电容器的局部放电和自愈合特性研究，发表于 2024 年 IEEE 第五届国际电介质会议 (ICD)，第 1-4 页，2024 年。https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
9. 薄膜电容器 适用于高要求应用的 MFP 类型，TDK Electronics（EPCOS），https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf。
10. GB/T 17702-2021， 电力电子电容器。 北京: 中国标准出版社, 2021.
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com