准分子脉冲电源：EMI滤波器设计

准分子脉冲电源：EMI滤波器设计

抽象

纳秒准分子脉冲携带从直流到数吉赫兹的谐波。滤波器必须滤除这些谐波，同时保持10纳秒的脉冲边缘完整，而这两个目标相互矛盾。本文阐述了脉冲频谱的计算方法、两级滤波器设计、四种现场失效模式，以及在吉赫兹频率下实现有效衰减的电容参数。

1. 引言

准分子激光器输出的脉冲上升时间为10纳秒至50纳秒，脉冲宽度为25纳秒至200纳秒。该波形并非正弦波，其频谱范围从直流到数吉赫兹。

这些谐波会通过电缆和空气离开电源。它们会到达控制电子设备，干扰传感器信号，并使产品超出其排放限值。

滤除谐波的滤波器也会减慢脉冲边沿。设计难题在于如何在不需要能量的地方衰减能量，并在脉冲携带放电信号的地方保留能量。

本文涵盖了频谱计算、电源内部的 EMI 源、两级滤波器方法、四种故障模式以及决定衰减是否能在 1 GHz 下持续存在的组件参数。

2. 核心机制

2.1 脉冲频谱和第一个零点

脉冲频谱的包络遵循由上升时间决定的sinc函数：

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

其中 A(f) 为频率 f 处的频谱幅度，A_peak 为峰值频谱幅度，t_rise 为脉冲上升时间。

当上升时间 t_rise = 10 ns 时，第一个零点位于 f = 100 MHz，包络线在此频率以上以约 -20 dB/十倍频程的速率滚降。1 GHz 处的能量仍然比基频低约 40 dB，这足以导致传导发射测试失败。

2.2 全脉冲频谱

实际脉冲具有有限的上升沿、下降沿和宽度，因此包络线包含两个 sinc 项：

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

其中 F(f) 为频谱幅度，A 为脉冲幅度，t_pulse 为脉冲宽度，t_rise 为上升时间。

当上升时间 t_rise = 10 ns 且脉冲时间 t_pulse = 50 ns 时，基波频率位于 1/t_pulse，即 20 MHz。第一个零点频率位于 1/t_rise，即 100 MHz。这两个拐点均直接来源于波形，并且当放电电路发生变化时，它们都会移动。

2.3 电源内部的电磁干扰源

四个源主导了发射。IGBT 的跃迁 dV/dt 超过 1 kV/ns，di/dt 超过 1 kA/ns。电容器组在 5 MHz 至 50 MHz 之间振荡。缓冲二极管的恢复时间 trr 在 25 ns 至 100 ns 之间。母线在 100 MHz 以上充当天线。

每个信号源都通过电缆传导或空气辐射进行耦合。滤波器检测的是传导路径，而布局决定的是辐射路径。

2.4 截止频率和分量值

低通LC电路的截止频率由电感和电容决定：

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

其中 f_cutoff 为截止频率，L_filter 为滤波器电感，C_filter 为滤波器电容。

当截止频率 f_cutoff = 50 MHz 且滤波器电容 C_filter = 1 nF 时，滤波器电感 L_filter 约为 100 nH。然后，二阶滤波器在该截止频率以上以 -40 dB/十倍频程的速率滚降。

2.5 脉冲上升时间和阻尼损耗

该滤波器会给脉冲增加自身的上升时间：

t_rise_filter ≈ 0.35 / f_cutoff

其中 t_rise_filter 是滤波器贡献的上升时间，f_cutoff 是截止频率。在 50 MHz 时，滤波器会增加 7 ns 的上升时间，因此 10 ns 的脉冲会变为 17 ns。

电容器在高频下的阻抗来源于其等效串联电阻（ESL）：

Z_C = 2π × f × ESL

其中 Z_C 为电容阻抗，f 为频率，ESL 为等效串联电感。在 1 GHz 时，50 nH 的 ESL 对应 314 Ω 的阻抗。

阻尼电阻器会在每个脉冲上消耗掉滤波器电感中存储的能量：

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF

其中，P_damp 为平均功耗，L_filter 为滤波器电感，I_peak 为脉冲电流，PRF 为脉冲重复频率。在 6 kHz 时，负载功率达到 50 W 至 100 W，电阻器必须持续承受该功率。

图 1 — 10 ns 的上升使第一个频谱零点位于 100 MHz；50 MHz 和 500 MHz 的组合使包络在 1 GHz 处下降约 100 dB。

3. 工程痛点

痛点 1：设定的截止值过高，无法满足排放限制

单级放大器设置在 100 MHz，在 1 GHz 时仅留下约 -20 dB 的损耗。电源的传导发射测试不合格，最终的解决方案是一个外部滤波器盒，这增加了成本和体积。

频谱计算从一开始就已完成。截止频率是在任何人研究能量分布位置之前就选定的。

痛点二：过大的电感器会减慢边缘速度。

600 nH 电感器使滤波器上升时间超过 20 ns。脉冲被拉长，放电电流下降，激光输出能量超出规格。

维修人员先是把问题归咎于气体混合物，然后又说是光学元件。在全电压原型机上测得的脉冲信号显示，问题出在滤波器上。

痛点3：电容式静电放电消除衰减

一个具有 50 nH ESL 的滤波电容器在 1 GHz 时阻抗为 314 Ω。在该频率下，并联到地的路径是断开的，因此谐波会通过，衰减在元件的自谐振频率处停止。

该滤波器在 1 MHz 至 30 MHz 范围内测量结果正常。100 MHz 以下的所有测试结果均符合要求，发射故障仅出现在频段的高端。

痛点 4：阻尼电阻器过热

根据低频测试数据确定尺寸的阻尼电阻在 6 kHz 脉冲重复频率下耗散 80 W 的功率。如果没有散热路径，它会在一个工作周期内达到极限功率，并且阻值会发生漂移。

滤波器的响应随电阻的变化而变化，衰减随损耗的增加而降低。这两种现象都表明该元件的设计并非用于连续工作。

痛点五：过滤器安装位置远离信号源

放置在距离开关级 150 毫米处的滤波器会从连接回路辐射出去。测得的辐射强度比安装在信号源端子上的同一滤波器高 12 分贝。

原理图显示的网络结构完全相同。唯一的区别在于布局，而布局决定了100MHz以上的性能。

4. 设计步骤

策略一：计算频谱并确定问题频率

根据测得的上升时间计算 A(f)，并记录 50 ns 脉冲的基频为 20 MHz，第一个零点为 100 MHz。列出包络线位于极限线之上的频率。

然后将这些频率归因于某个来源。IGBT边沿、组振铃、二极管恢复和总线辐射分别覆盖不同的频段，并且各自有不同的定位方法。

策略二：采用两级宽带衰减

将第一级频率设置为 50 MHz，电容 C = 1 nF，电感 L = 100 nH，频率范围为 50 MHz 至 500 MHz。将第二级频率设置为 500 MHz，电容值较小，频率范围为 500 MHz 至 5 GHz。

该信号在 500 MHz 以上以大约 -80 dB/十倍频程滚降，因此 10 ns 边沿的 1 GHz 成分远低于限制，从而在生产中保持裕量。

策略三：选择电容器来实现静电放电防护，而不仅仅是选择电容。

选择 N4700 ESL 低于 10 nH 的元件。在 1 GHz 时，电阻为 63 Ω，而不是 50 nH 元件的 314 Ω，这使得并联路径在整个频段内都能正常工作。

绝大部分储备使用 HVCT8G 在高电流节点处采用同轴封装。其电极几何形状使40毫米端子间距下的环路电感低于8纳亨，并且滤波器拐角处的值与计算值相符。

策略四：用低电感电阻器抑制滤波器。

绝大部分储备使用 HVRGHP 厚膜器件的等效串联电阻 (ESL) 低于 10 nH，额定功率比计算阻尼损耗高 50%。在 6 kHz 频率下，这意味着该器件可以连续承载 100 W 至 150 W 的功率。

将电阻器安装在电容器的两端，并为其提供有效的散热路径。阻值漂移的电阻器会改变滤波器的响应，衰减也会随之降低。

策略五：保持脉冲边沿并安装在源端

将转角频率设置在发射限制允许的范围内，然后在全电压原型上确认边沿。50 MHz 的转角频率会增加 7 ns 的脉冲宽度，而 100 MHz 的转角频率会增加 3.5 ns 的脉冲宽度，因此需要在衰减和脉冲宽度之间进行权衡。

将第一级安装在开关端子上。信号源和滤波器之间的连接构成辐射器的一部分，经测量，150 毫米的连接会造成 12 分贝的损耗。

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. 用于准分子激光器 EMI 网络的 HVC 滤波电容器

该节点的选择主要基于三个要求：ESL 足够低，可在 1 GHz 频率下分流；损耗足够低，可使滤波器避开热路径；以及介质在整个频段内保持其性能稳定。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产该系列所需的 N4700 系列器件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• ESL 低于 10 nH 时，1 GHz 时阻抗为 63 Ω 而不是 314 Ω，因此在谐波存在的地方，分流路径仍然有效。
• 在 1 MHz 时 ESR 低于 10 mΩ，可使电容器的 I²R 损耗在滤波器总损耗中占比很小，从而使阻尼电阻成为唯一的热设计任务。
• tanδ 低于 0.1% 时，自发热可控制在可忽略的水平，因此随着外壳升温，滤波器响应不会发生漂移。
• 额定电压下局部放电低于 5 pC。局部放电屏蔽可消除内部微电弧，避免其将宽带噪声引入滤波器需要净化的频段。
• 覆盖范围从 1 kV 到 150 kV，采用径向引线和螺钉端子形式，因此一个介质系统可服务于 50 MHz 级、500 MHz 级和阻尼网络。
• 符合DUV光源现场服务一流品牌直接替换标准，并被激光OEM厂商指定用于新平台。HVC部件的电气参数和封装尺寸与以下部件相匹配： 村田 螺钉式高压电容器。

当舞台需要串联元素时，将……配对 薄膜电容器 配 快速恢复二极管 trr 为 25–35 ns，因此阻尼路径不会向下一个脉冲添加恢复电荷。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，配套滤波器组发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程团队为 EMI 网络提供频谱计算、滤波器拓扑结构审查、阻尼损耗分析和脉冲形状验证等支持。

请提供脉冲上升时间、脉冲宽度、脉冲重复频率 (PRF) 和故障频段。HVC 将在五个工作日内回复您一份滤波器组件清单，其中包含零件编号、ESL 和 ESR 分布情况，以及一套包含两个样品的评估套件。

6. 常见问题

问题1：如何计算脉冲频谱？

使用 sinc 包络 A(f) ≈ A_peak × sin(π f t_rise) / (π f t_rise)。当 t_rise = 10 ns 时，第一个零点位于 100 MHz。有限宽度的实脉冲会在 1/t_pulse 处增加第二个 sinc 项，对于 50 ns 的脉冲，这将使基频位于 20 MHz。

Q2：滤波器应该使用哪个截止频率？

截止频率越高，上升时间越长，因为截止频率决定了增加的上升时间。50 MHz 的截止频率会增加 7 ns 的上升时间，将 10 ns 的脉冲变为 17 ns。100 MHz 的截止频率会增加 3.5 ns 的上升时间，衰减也更小，因此选择哪种截止频率取决于脉冲形状所需的裕量。

Q3：为什么滤波电容器在吉赫兹频率下无法起到衰减作用？

因为其等效串联电感 (ESL) 会使阻抗高于自谐振频率。在 1 GHz 时，50 nH 的器件阻抗为 314 Ω，此时并联路径停止导通。而 10 nH 的器件阻抗则为 63 Ω，这使得谐波能够继续流向地。

Q4：滤波器阻尼电阻器消耗多少功率？

根据公式 P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF，在 6 kHz PRF 下，平均负载达到 50 W 至 100 W，因此电阻需要 50% 的裕量和有效的散热路径。没有散热路径的元件阻值会发生漂移，滤波器的响应也会随之改变。

Q5：滤波器必须位于开关级吗？

是的，第一级是这样。安装在距离信号源 150 毫米处的滤波器比安装在信号源端子处的相同元件性能差 12 分贝，这是因为连接回路会在 100 MHz 以上辐射。原理图两种安装方式都保持不变。

Q6：为什么使用两个阶段而不是一个阶段？

因为一个角点无法覆盖三个数量级。50 MHz 的级覆盖 50 MHz 到 500 MHz，而 500 MHz 的级覆盖 500 MHz 到 5 GHz。它们在 500 MHz 以上以大约 -80 dB/十倍频程的速率滚降，这正是 1 GHz 时 10 ns 边缘所需的特性。

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。
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6. H. Liu等人， 电磁场对双向拉伸聚丙烯薄膜电容器局部放电行为的影响IEEE 电介质与电气绝缘学报，第 30 卷，第 6 期，第 2617-2624 页，2023 年。https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
7. 适用于严苛应用的MFP型薄膜电容器，TDK Electronics（EPCOS），https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf。
8. 使用陶瓷电容器 3 kV （C0G/NP0 与 X7R/Y5S 稳定性讨论），复古技术论坛，https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858。
9. 选择用于脉冲功率的电容器，电气工程 Stack Exchange，https://electronics.stackexchange.com/questions/486321/selecting-a-capacitor-for-pulsed-power。
10. 驱动未来：高压MLCC如何提升现代电子产品的效率，Murata，https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com