全固态高压脉冲电源讲解

IGBT的固态高压脉冲电源的设计原理由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分。

为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源，文中提出了一种基于IGBT的高压脉冲电源，系统主要由高压直流充电电源和脉冲形成电路两部分组成，由DSP作为主控制芯片，控制IGBT的触发和实现软开关技术，并用仿真软件PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析，验证了设计思想的正确性。

由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用。

比如说高能量物理、粒子加速器、金属材料的加工处理、食品的杀菌消毒、环境的除尘除菌等方面，都需要这样一种脉冲能量--可靠、高能量、脉宽和频率可调、双极性、平顶的电压波形。

无论将此高功率脉冲电源用于何种用途，高压脉冲电源均是其设计的核心部分。

传统的高功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，然后采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节，脉冲波形易变化，可靠性较低，控制较困难，成本较高。

文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。

将IGBT 作为获取高压脉冲的电子开关，利用IGBT构成LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源，同时利用IGBT构成全桥组成脉冲形成电路，输出双极性高压脉冲波形。

文中给出了系统结构、系统各个部分功能说明，通过仿真电力电子仿真软件PSIM对LCC充电过程和脉冲形成电路进行仿真分析。

1 高压脉冲电源系统结构1.1 高压脉冲电源的拓扑结构高压脉冲电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类：电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。

电容充放电式是通过长时间充电、瞬间放电，即通过控制充放电的时间比例，达到能量压缩、输出高压大功率脉冲的目的。

优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡;但是，输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低，因而应用范围比较有限，主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。

基于PSM技术的固态大功率脉冲直流电源【摘要】为探索大功率脉冲高压电源设计的新方法，提出将脉阶调制技术应用于大功率直流脉冲电源中。

本文首先介绍了脉阶调制技术的原理以及控制和保护策略。

最后，讨论了基于脉阶调制技术的200kW多收集极行波管电源的设计方案。

与传统的电源方案相比较，基于脉阶调制技术的电源具有高可靠性、高效率等优点。

【关键词】脉阶调制；脉冲直流电源；加速极；降压收集极行波管1 引言脉阶调制（PSM）技术是瑞士BBC（Brown Boveri）公司于1983年首先提出并发展的，最初的目的是应用于大功率广播发射机中以替换传统的乙类真空管调制器。

采用开关模式的调制方式代替了真空管线性调制方式，广播发射机的效率得以大幅提高。

近年来，随着各种新的电力电子器件和控制技术的发展，IGBTs、DSP控制以及其它新器件新技术已经广泛应用于PSM技术中，PSM调制器的指标更优化，也因此在更多的领域中得以应用，尤其是大功率直流脉冲电源的设计中。

2 PSM技术PSM技术的一个显著特点是把主整电压化整为零，即把主整高压分成若干个低压输出的电源模块。

这些电源模块相串联，电源的输出电压取决于投入的模块数。

这样，可根据需要增减模块串联数，而形成脉冲阶梯波形。

PSM的电路拓扑结构如图1所示。

图1 PSM拓扑结构该电路由若干相同的直流电源模块串联而成，每个电源模块包括一个直流电源VDC，开关S和一个旁路二极管D。

开关S断开的电源模块由二极管旁路，为电流提供通道，任一模块的开断都不影响电源的输出。

开关S的断开和闭合对应模块输出电压的两个状态。

V off=-VD VD：旁路二极管的导通压降V on=VDC-VS VS：开关S的导通压降若PSM电源由N个电源模块串联，其中n个模块导通。

则PSM电源的输出电压V out=n（VDC-VS）-（N-n）VD如果忽略二极管和开关S的导通压降，则对应有V off=0 V on=VDCS V out=n·VDC任何时刻电源的输出电压取决于投入的模块数。

基于移相控制的全固态高压脉冲电源设计唐朝;赵龙章;龚嫒雯【摘要】Since the traditional high-voltage pulse power device has the defects of limited withstand voltage value and low efficiency,and is difficult to improve voltage level,an all-solid-state high-voltage pulse power supply based on phase-shifting control technology is put forward. The phase-shifting control ZVS PWM full-bridge conversion circuit is used in the charging power supply to reduce the switching loss. The high-voltage pulse circuit taking all-solid-state IGBT as its main switching device can improve the voltage level,and adjust the pulse width and frequency. The experimental results show that the all-solid-state high-voltage pulse power supply has maximum output pulse voltage of 10 kV,possesses the nanosecond steep rise,and its frequency and pulse width can be adjusted.%针对传统高压脉冲的功率器件耐压值有限,电压等级难以提升,效率低的缺陷,提出了一种基于移相控制技术的全固态高压脉冲电源.充电电源部分采用移相控制ZVS PWM全桥变换电路,减小开关损耗;高压脉冲电路以全固态IGBT作为主开关器件,不仅能提升电压等级,还能对脉冲宽度和频率进行调节.实验结果表明,输出脉冲电压最大值为10kV,具有纳秒级陡峭前沿,且频率、脉宽均可调.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2017(040)022【总页数】4页(P172-175)【关键词】移相控制;高压脉冲电源;IGBT;纳秒级陡峭前沿;Marx发生器【作者】唐朝;赵龙章;龚嫒雯【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211800;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211800;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211800【正文语种】中文【中图分类】TN911-34脉冲功率技术是一种电物理技术，是将较长时间内存储起来的能量在极短的时间内向负载输出功率密度极高的能量，实现输出功率对输入功率的压缩。

高压脉冲电源原理
高压脉冲电源是一种能够产生高电压脉冲的电源系统。

其工作原理基于电子元器件的充电和放电过程。

该电源系统主要由以下几个部分组成：电源输入、脉冲发生器、高压放大器和输出装置。

首先，电源输入部分将外部供电转换为适合电路工作的稳定直流电压。

这一部分通常包括整流、滤波和稳压电路。

接下来，脉冲发生器的作用是产生一个稳定且频率可调的脉冲信号。

常见的脉冲发生器包括555定时器和可编程逻辑器件等。

该信号会被高压放大器放大后输出。

高压放大器是将低电压的控制信号放大到所需的高压幅度的关键部分。

通常采用变压器、放大电路等元件来实现。

放大器的输出会连接到输出装置，比如用于产生高压脉冲的电极或电容。

当高压脉冲电源工作时，脉冲发生器会周期性地生成脉冲信号。

该信号经过高压放大器放大后，输出到输出装置。

输出装置将这些高压脉冲传递给被驱动设备，如激光器、等离子体加速器等。

总结起来，高压脉冲电源通过将外部供电转换为适合工作的直流电压，并使用脉冲发生器和高压放大器的协同工作，能够生成高压脉冲信号，用于驱动各种高压设备的工作。

第31卷第3期强激光与粒子束V o l.31,N o.3 2019年3月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S M a r.,2019全固态高重频高压脉冲电源*饶俊峰,李成建,李孜,姜松(上海理工大学机械工程学院,上海200093)摘要:设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以I G B T为主开关的半桥式固态M a r x电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由F P G A提供充放电控制信号和故障诊断㊁保护㊂该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场㊂此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列㊂实验表明,该输出电压幅值可高达40k V,输出峰值电流可达100A,重频可达30k H z,上升沿和下降沿均低于100n s,突发模式下重频可高达200k H z㊂所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧㊂关键词:脉冲电源;方波脉冲;微秒脉冲;固态M a r x;脉冲截尾中图分类号: TM832文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201931.190005A l l s o l i d s t a t e h i g h-f r e q u e n c y a n dh i g hv o l t a g e p u l s e d p o w e r s u p p l yR a o J u n f e n g, L i C h e n g j i a n, L i Z i,J i a n g S o n g(S c h o o l o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o rS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,S h a n g h a i200093,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i s p a p e r,a na l l-s o l i d-s t a t eh i g h-f r e q u e n c y a n dh i g h-v o l t a g e p u l s e g e n e r a t o r i sd e s i g n e d.T h em a i n c i r c u i t u s e s a h a l f-b r i d g e s o l i d-s t a t eM a r x c i r c u i tw i t h I G B T s a sm a i n s w i t c h e s.T h e d r i v e c i r c u i t u s e sam a g n e t i c-i s o l a t e d s y n c h r o n o u s d r i v e rw i t hn e g a t i v e v o l t a g e b i a s.C h a r g e a n d d i s c h a r g e c o n t r o l s i g n a l s a n d f a u l td i a g n o s i s a n d p r o te c t i o no p e r a t i o na r e p r o c e s s e db y a nF P G A.T h e c a p a c i t o r s i nd if f e r e n t s t ag e s c a nb e ch a r g e dq u i c k l y i n p a r a l l e l t h r o u g h l o w-i m p e d a n c e l o o p s,a n dm e a n w h i l e t h e s l o wt a i l i n g p u l s e s a r e t r u n c a t e d t o g e n e r a t es q u a r e p u l s e s.B e s i d e s,t h e p u l s ew i d t ho v e r200μs a r e a c h i e v e dd u e t o t h eh o l d-o no f t h e g a t e-e m i t t e r c a p a c i-t o r s,w h i c hc a nb e u s e d t o g e n e r a t e h i g h-v o l t a g e p u l s e d e l e c t r i c f i e l d.I n a d d i t i o n,t h i s p u l s e g e n e r a t o r c a n a l s oo u t p u t v a r i o u sn u m b e r so fh i g h-f r e q u e n c yp u l s e sw i t ha d j u s t a b l e p u l s en u m b e r s i nb u r s tm o d e.E x p e r i m e n t ss h o wt h a t p u l s e sw i t h t h e o u t p u t v o l t a g e a m p l i t u d e o f40k V,t h e p e a k c u r r e n t o f100A,t h e r e p e t i t i v e f r e q u e n-c y o f30k H z,t h e r i s e t i m e a nd t hef a l l t i m e l e s s t h a n100n s a r e o b t a i n e d.T h e b u r s tm o d e f r e q u e n c y c a nb e u pt o200k H z.T h e d e s i g n e d p u l s e g e n e r a t o r i s a b l e t o o u t p u t h i g h-v o l t a g e p u l s e sw i t h c o n t i n u o u s l y a d j u s t a b l e p a-r a m e t e r s a n d t h e g e n e r a t o r s s i z e i s v e r y s m a l l.K e y w o r d s:p u l s e g e n e r a t o r;s q u a r e p u l s e s; m i c r o s e c o n d p u l s e;s o l i d-s t a t eM a r x g e n e r a t o r;p u l s e t r u n c a t i o nP A C S:84.30.N g;84.70.+p随着脉冲功率技术的不断发展,高压脉冲发生器的应用越来越广泛,如生物细胞处理[1]㊁材料改性[2-5]㊁臭氧产生[6]㊁低温等离子体的产生[7]㊂以低电感值㊁高储能密度的电容器作为主要储能元件的M a r x发生器[8-9],已经被广泛应用于高压脉冲电源㊂传统的M a r x发生器输出电压通常高达百k V㊁瞬时功率超过GW级,但其体积庞大㊁重复频率低㊁寿命短㊁维护成本高㊁价格昂贵,因此一般多用于军工国防领域的应用㊂近年来,随着半导体技术的发展,半导体开关器件凭借其开关速度快㊁稳定性高等优点,在脉冲领域逐渐受到青睐[10-11]㊂采用MO S F E T,I G B T的全固态M a r x发生器可以产生电压幅值和脉宽均可调的高压脉冲,且重复频率更高(k H z*收稿日期:2019-01-07;修订日期:2019-02-12基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(以上)㊁体积更小㊁寿命更长和可靠性更高㊂因此,采用半导体开关的中低等功率的全固态M a r x 发生器在工业领域的应用越来越广泛[12-13]㊂M a r x 发生器由多级电路构成,需要为半导体开关提供相互隔离的多路同步驱动信号,且具有较快的上升沿㊂本文设计的M a r x 发生器由52级电路组成,每级电路由I G B T 开关管㊁快恢复二极管和电容器构成㊂使用多路输出磁环变压器为I G B T 提供同步驱动信号,并且可以实现驱动信号的高压隔离㊂该电源可以在突发模式下,工作在百千赫兹的高频状态,输出脉冲频率和个数均可调的脉冲系列㊂1 脉冲发生器的设计1.1 主电路主电路的原理如图1所示㊂每级均采用I n f i n e o n 公司的额定电压1200V ㊁额定电流100A 的I GW 60T 120作为主开关,二极管D i (D 1-D 52)采用I X Y S 公司耐压为1.2k V 的D S E P 12-12A ,直流充电源V D C 可提供高达1k V 的可调直流电压㊂其工作原理如下:并联充电阶段中S c i 开关管同步触发导通,发生器每级电容迅速充电,电容的充电时间常数为τ=R c C (R c 为线路等效电阻),在程序设定上两次放电间隔内S c i 开关管均为导通,以满足电容充电时间T >5τ;串联放电阶段充电管S c i 处于关断状态,放电管S d i 同步触发导通Ma r x 发生器对负载放电,由于充电管S c i 处于关断状态,则可以隔离高压输出脉冲对直流充电源的影响㊂F i g .1 E q u i v a l e n t s c h e m a t i c o f a l l s o l i d s t a t eh i g h v o l t a g e r e c t a n g u l a r p u l s e d p o w e r s u p p l y图1全固态高压方波脉冲发生器等效电路图F i g .2 D i s c h a r g i n g l o o p fo r t r u n c a t i o n p r o c e s s 图2 截尾过程放电通路实际电路中,由于电路中存在杂散电感电容,它们的存在对脉冲的上升沿和下降沿起着一定的阻碍作用,当M a r x 级数和整个电路回路很长的情况下,电路内部杂散电感对负载上脉冲的下降沿快慢起着至关重要的作用㊂当负载呈现容性时,其下降沿高达数十微秒㊂图2是M a r x 电路对负载的放电脉冲结束后的截尾通路㊂在放电主开关管S d n 关断后,为了加快下降沿,快速触发导通充电管S c i ,为负载上的杂散电容提供快速泄放通路,其存储的电荷经红色箭头回路进行截尾,从而获得快速下降沿,输出方波脉冲㊂1.2驱动电路F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a mo f c o n t r o l s ys t e m 图3 控制系统框图如图3所示,F P G A 输出触发脉冲信号控制M a r x 电路中主开关管的导通和关断[14],触发信号的脉冲宽度㊁重复频率以及截尾信号死区根据程序设定均为连续可调,通过控制触发信号来控制整个M a r x 电路的脉冲输出㊂触发信号经光耦隔离传输到I G B T 的驱动电路㊂为了获得百纳秒脉宽的高压脉冲,驱动电路和信号必须满足如下条件:(1)各级主电路上I G B T 导通和关断必须同步,所有发生器上I G B T 开关管驱动信号时序需要一致㊂(2)各级之间开关管的驱动电路必须互相隔离,因为在电路工作时每级发生器所处电位不同,故需要将驱动电路与主电路隔离开㊂(3)为了获得百纳秒脉宽的高压脉冲,驱动信号的上升时间和下降时间必须足够短,且驱动电流足够大㊂ 综上所述条件,本设计驱动部分采用串心变压器结构,利用同轴线作为驱动变压器的原边绕组㊂原边采用1匝带屏蔽层的高压同轴线,外层接地起屏蔽干扰作用,内导体用作驱动信号传输;副边为多匝外表皮绝缘导线绕制而成㊂驱动电路如图4所示,驱动信号时序如图5所示㊂其工作过程如下:(1)开通信号来临时,信号沿绿色实强激光与粒子束线,开关管S 1-2导通,Q 1门极等效电容沿黄色实线充电,主开关管I G B T 导通;(2)处于死区时间段内时,开关管等效电容没有放电回路,一直维持导通状态;(3)关断信号来临时,信号沿蓝色实线,开关管S 1-1导通㊂Q 1门极等效电容沿红色实线放电,并且反向充电至负压,以保证可靠关断;(4)反向充电维持负压,一直到下次开通信号到来,此时开关管门极保持负电压,处于可靠关断状态㊂F i g.4 S c h e m a t i c o f d r i v e c i r c u i t f o r I G B T 图4开关管驱动电路原理图F i g .5 D i a g r a mo f t i m e s e q u e n c e f o r c o n t r o l s i gn a l s 图5 控制信号时序图该驱动方案中,还创新性地加入了突发模式驱动㊂在突发模式中,只给充电开关管提供周期性的开通信号,使各级电容能够快速地并联充电,给放电管提供周期性的关断信号,在门极施加负电压驱动信号确保其处于可靠关断状态㊂只有按下触发按钮时,才停止充电,放电管导通,输出设定个数的突发脉冲㊂在这种模式下,由于不触发时主电路只充电不放电,不会输出高压脉冲,因此可以直接用万用表测量各级电容上的充电电压,以检测各级充电过程是否正常,快速排除故障㊂同时在电路调试过程中单脉冲输出功能也更加安全㊂2 实验结果分析实验中对设计的脉冲发生器进行了空载实验,当输入电压不同时,输出脉冲电压的幅值随着输入电压的变化而变化,其值为52U i n ㊂ 当输入电压U i n 为820V 时,其最大峰值电压幅值可高达40k V ,且上升沿㊁下降沿时间均低于100n s ,实验中输出电压连续可调,52级M a r x 发生器的输出不同电压幅值的脉冲波形如图6所示㊂图7为不同脉宽时的输出电压波形,图中输出电压幅值为30k V 时,输出电压脉宽为5μs 到200μs ,实际最大脉宽可以达到1m s 以上㊂F i g .6 O u t p u t p u l s e sw i t ha d j u s t a b l e a m pl i t u d e s 图6输出电压幅值可调F i g .7 O u t p u t p u l s e sw i t ha d ju s t a b l ew i d t h 图7输出电压脉宽可调图8所示为突发模式下测得的门极电压波形,黑色为充电管驱动电压,红色为放电管驱动电压㊂此时频率为200k H z ,占空比为50%,连续输出5个高压脉冲㊂在非放电期间,周期性地给充电管提供开通信号,使其维持在导通状态,同时给放电管持续提供周期性关断信号,使其维持在关断状态㊂由图8可以看出,放电前后充电管门极电压一直在近9V 以上的正电压,充电管持续开通给电容进行充电;非放电期间放电管门极电压维持在-6V 以下,确保放电管可靠关断㊂而放电时充电管和放电管交替开通和关断,放电管连续导通输出5个高压脉冲,且在脉冲之间有短时间充电以补充电容的降落㊂图所示为突发模式下输出个脉冲电压波形,频率为逐步饶俊峰等:全固态高重频高压脉冲电源降低,是因为充电时间太短,无法及时补充各级电容所释放的电荷,导致其幅值按照R C指数衰减㊂若需保持幅值不变,增大每级的电容量并在放电脉冲期间加入充电过程即可实现㊂F i g.8 W a v e f o r m s o f g a t e v o l t a g e o f IG B T s i nb u r s tm o d e图8突发模式下I G B T门极电压波形F i g.9 W a v e f o r m s o f f i v e p u l s e s i nb u r s tm o d e 图9突发模式下输出5个脉冲电压波形F i g.10 P h o t oo f p u l s e d p o w e r s u p p l y图10脉冲电源实物图图10所示为40k V整个脉冲电源的实物图㊂体积非常小巧,整个机箱的外部长度为460mm,宽度为507mm,高度为250mm,总体积低于0.06m3㊂3结论本文采用半桥结构的固态电路设计了一台高重频方波高压脉冲电源,采用的串心磁环同步驱动方案,既保证了可靠的同步驱动,还提供了负电压偏置,大大提高了电源的电磁兼容性能㊂所设计的突发模式不仅可以使电源能够短时间内输出脉冲个数可调的高频脉冲,还便于电路调试和故障测试㊂实验结果表明,该脉冲电源不仅能输出电压幅值㊁脉宽和频率都连续可调的方波脉冲,且结构紧凑㊁性能稳定㊂可以用于介质阻挡放电和脉冲电场杀菌等应用研究㊂参考文献:[1] K r i s h n a s w a m y P,K u t h iA,V e r n i e rPT,e t a l.C o m p a c t s u b n a n o s e c o n d p u l s e g e n e r n a t o r u s i n g a v a l a n c h e t r a n s i s t o r s f o r c e l l e l e c t r o p e r t u r-b a t i o n s t u d i e s[J].I E E ET r a n sD i e l ec t r i c s a n dE l e c t r i c a l I n s u l a t i o n,2007,14(4):1422-1428.[2]李黎,彭明洋,腾云,等.大气压重频纳秒脉冲放电对尼龙纤维的表面改性[J].高电压技术,2016,42(3):753-761.(L iL i,P e n gM i n g y a n g,T e n g Y u n,e t a l.S u r f a c em o d i f i c a t i o no fn y l o nf i b e rb y a t m o s p h e r i c p r e s s u r ea n dr e p e a t e dn a n o s e c o n d p u l s ed i s c h a r g e.H i g h V o l t a g eE n g i n e e r i n g,2016,42(3):753-761)[3] L o w k e J J.P l a 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d强激光与粒子束饶俊峰等:全固态高重频高压脉冲电源p o w e r g e n e r a t i o nu s i n g s o l i d-s t a t e s w i t c h e s.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2010,22(3):561-564)[11]任亚东,李世平,颜骥.半导体脉冲功率开关的最新进展[J].强激光与粒子束,2012,24(3):771-775.(R e nY a d o n g,L i S h i p i n g,Y a nJ i.R e c e n t d e v e l o p m e n t s o f s e m i c o n d u c t o r p u l s e d p o w e r s w i t c h.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2012,24(3):771-775)[12] R u k i nSN.H i g h-p o w e r n a n o s e c o n d p u l s e g e n e r a t o r s b a s e d o n s e m i c o n d u c t o r o p e n i n g s w i t c h e s[J].I n s t r u mE x p T e c h,1999,42:439-467.[13] Y o k o oT,S a i k i K.R e p e t i t i v e p u l s e d h i g h-v o l t a g e g e n e r a t o r u s i n g s e m i c o n d u c t o r o p e n i n g s w i t c h f o r a t m o s p h e r i c d i s c h a r g e[J].I E E ET r a n sP l a s m aS c i e n c e,2008,36(5):2638-2643.[14]姚陈果,章锡明.基于现场可编程门阵列的全固态高压n s脉冲发生器[J].高电压技术,2012,38(4):929-934.(Y a 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固体脉冲电源系列安全操作及保养规程固体脉冲电源是一种高压、大电流、高能量的电源，能够产生高能粒子束、电磁场和激光等，广泛应用于物理、化学、生物、材料科学等领域。

为了保证实验过程的安全和设备的长期使用，本文提供固体脉冲电源系列安全操作及保养规程。

安全操作规程1. 装置检查在使用固体脉冲电源前，应对设备进行全面检查，确保线路连接正确，接线牢固，设备无明显损坏和故障。

同时，应仔细查看设备上部分以及模块、电容等细节部分，以发现可能存在的漏电、氧化、裂纹等隐患。

2. 操作流程固体脉冲电源使用前，必须开启继电器或开关，使电源回到安全状态。

在联通线路之前，应先将连通口位悬空或导入到负载中，然后再联通线路。

在使用固体脉冲电源时，必须正确接线，保证安全电源始终处于正常状态和安全电源处于处于联机模式，而且当设置有上电保护时，上电时必须在电流控制中设置上电延迟时间确保根据本文所述的规定进行。

3. 操作安全操作人员必须按照设备的规定进行操作，做到电源与设备搭配使用，防止短路等事件发生。

在开机时，应戴上适当的防护用品，如绝缘手套、护目镜、胶靴等，以保护身体和设备的安全。

4. 关机流程为避免损伤设备和操作人员，关闭固体脉冲电源时，应先关闭主电源开关，等待设备内部电压全部释放完成后再继续拆卸电路、移动设备或清理设备。

保养规程1. 定期检测持续使用固体脉冲电源之后，应按照使用说明书对设备进行定期的全面检测，以确保其工作状态正常且不会受到较大的环境影响。

建议定期更换检测器等易损部件，用更好的耐久材料进行更换。

如发现损坏的零部件应及时更换，以免影响设备的正常使用。

2. 维护保养在固体脉冲电源使用过程中，应注重设备的保养，及时清理设备的灰尘、杂物等，以确保设备的散热效果正常。

定期清理和检查设备的润滑油、减小设备的磨损。

发现问题应及时处理，更换消耗品，做到定期保养、调整，定期检查设备性能。

3. 维修保养如果固体脉冲电源出现故障或损坏，应及时联系生产厂家进行维修或检修。

第31卷第4期强激光与粒子束V o l.31,N o.4 2019年4月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S A p r.,2019全固态高压脉冲电源在半导体光刻光源中的应用*游利兵1,程超1,2,方晓东1,2(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所,光子器件与材料安徽省重点实验室,合肥230031;2.中国科学技术大学科学岛分院,合肥230026)摘要:简要回顾了半导体光刻的发展历程以及准分子激光作为光源在半导体光刻中的需求㊂简述了高压脉冲电源的基本原理及应用,介绍了全固态高压脉冲电源的结构和特点㊂着重阐述了全固态高压脉冲电源在光刻用准分子激光器和E U V光源中的应用㊂大功率半导体开关结合多级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源有效替代传统基于闸流管的高压脉冲电源,实现了光刻光源高重复频率下的长寿命运行㊂介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所近十年来,在准分子激光器的全固态高压脉冲电源研究上的相关进展㊂最后,对未来半导体光刻光源对全固态脉冲电源的需求进行了展望㊂关键词:全固态高压脉冲电源;半导体光刻;准分子激光;磁开关;闸流管中图分类号: T N86;T N248文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201931.190001A p p l i c a t i o no f a l l-s o l i d-s t a t e h i g h-v o l t a g e p u l s e p o w e r s u p p l yi n s e m i c o n d u c t o r l i t h o g r a p h y l i g h t s o u r c eY o uL i b i n g1, C h e n g C h a o1,2, F a n g X i a o d o n g1,2(1.A n h u i P r o v i n c i a lK e y L a b o r a t o r y o f P h o t o n i c sD e v i c e s a n d M a t e r i a l s,A n h u i I n s t i t u t e o f O p t i c s a n dF i n eM e c h a n i c s o f C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,H e f e i230031,C h i n a;2.S c h o o l o f S c i e n c e I s l a n d,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o f C h i n a,H e f e i230026,C h i n a)A b s t r a c t: T h eb a s i c p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fh i g h-v o l t a g e p u l s e p o w e r s u p p l y a r eb r i e f l y d e s c r i b e d,t h e p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f a l l-s o l i d-s t a t e h i g h-v o l t a g e p u l s e p o w e r s u p p l y a r e i n t r o d u c e d.T h e h i s t o r y o fs e m i c o n d u c t o r l i t h o g r a p h y a n d t h en e e d f o r e x c i m e r l a s e r s a s l i g h t s o u r c e s i n s e m i c o n d u c t o r l i t h o g r a p h y a r e r e-v i e w e d.T h e a p p l i c a t i o n o f a l l-s o l i d-s t a t e h i g h-v o l t a g e p u l s e p o w e r s u p p l y i n e x c i m e r l a s e r f o r l i t h o g r a p h y i s e m-p h a s i z e d.T h eh i g h-p o w e r s e m i c o n d u c t o r s w i t c hc o m b i n e dw i t hm u l t i-s t a g em a g n e t i c p u l s e c o m p r e s s i o ns w i t c hi su s e d t o r e p l a c e t h e t r a d i t i o n a l t h y r i s t o r-b a s e d h i g h-v o l t a g e p u l s e p o w e r s u p p l y,a n d a l o n g l i f e o p e r a t i o n o f t h ee x c i m e r l a s e r a t ah i g h r e p e t i t i o n r a t e i s a c h i e v e d.T h e p r o g r e s s of t h e r e s e a r c ho n t h e a l l-s o l i d-s t a t eh ig h-v o l t-a g e p u l s e p o w e r s u p p l y o f e x c i m e r l a s e r s i n t h e p a s t t e n y e a r s o fA n h u i I n s t i t u t e o fO p t i c s a n dF i n eM e c h a n i c s o fC h i n e s eA c a d e m y o fS c i e n c e s i sa l s oi n t r o d u c e d.F i n a l l y,t h ef u t u r ed e m a n df o ra l l-s o l i d-s t a t e p u l s e d p o w e rs o u r c e s f o r s e m i c o n d u c t o r l i t h o g r a p h y s o u r c e s i s e x p e c t e d.K e y w o r d s: a l l-s o l i d-s t a t eh i g h-v o l t a g e p u l s e p o w e r s u p p l y;s e m i c o n d u c t o r l i t h o g r a p h y; e x c i m e r l a-s e r; m a g n e t i c s w i t c h;t h y r a t r o nP A C S:84.70.+P;42.55.L t从第一个晶体管问世算起,半导体技术已经历七十多年的发展,目前它仍保持着强劲的发展态势,继续遵循M o o r e定律发展㊂光刻是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤,该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构,然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上㊂光刻技术自诞生以来,在半导体加工制造行业中就得到广泛的应用,研发相应的光刻设备也是超大规模集成电路发展的前提,对整个信息产业进步也具有重要的影响[1]㊂但随着器件功能的不断提升,要求芯片集成度不断提高,器件尺寸不断减小,早年基于汞灯光源的传统光刻技术几乎达到了物理极限㊂而提高分辨率的一个重要方法是降低曝光光源的波长,因此以K r F,A r F为代表的波长位于紫外波段的准分子激光器在半导体光刻中起到非常重要的作用㊂输出193n m*收稿日期:2019-01-01;修订日期:2019-02-20基金项目:国家科技重大专项(2013Z X02202004)作者简介:游利兵(1981-),男,博士,研究员,主要从事激光技术㊁电源技术方面的研究;l b y o u@a i o f m.a c.c n㊂040019-1强激光与粒子束的A r F准分子激光光刻技术已广泛用于90n m以下节点的量产,而浸没技术又给A r F准分子光刻带来了生机,实现了45n m节点及以下量产[2-4]㊂但对于更低的10n m以下节点,准分子浸没技术便很难满足,而输出波长13.5n m的E U V光刻技术作为下一代光刻技术应运而生㊂2019年半导体芯片将进入7n m时代,而E U V光刻机则是必不可少的半导体生产设备㊂光刻用准分子激光器采用高压快脉冲放电激励工作气体产生紫外激光,放电型E U V光源也是采用高频高压脉冲电源对靶材放电产生等离子体辐射极紫外光,因此,高压脉冲电源作为准分子激光和E U V光源的核心关键部分,其采用的技术和发展水平直接影响半导体光刻光源性能㊂1全固态高压脉冲电源高压脉冲电源是高压电源的一种,通常包括高压直流电源和脉冲调制两个部分,是在高压直流电源的基础上增加了脉冲形成电路,从而实现输出脉冲幅度㊁脉冲宽度以及脉冲频率调制的一种高压电源㊂高压脉冲电源广泛应用于高压充放电㊁空气净化㊁燃料废水处理㊁放电等离子烧结㊁纳米材料制备等多种场合㊂在高压脉冲电源中,开关作为关键部件,决定了脉冲电源的重复频率㊁输出功率水平㊁使用寿命等㊂此外,输出脉冲波形的稳定性㊁上升时间㊁关断时间也都受到开关特性的影响[5]㊂高压脉冲电源中使用的开关器件种类较多,按照介质可分为气体开关㊁液体开关㊁固体开关和等离子体开关㊂气体开关主要有闸流管(T h y r a t r o n)㊁引燃管(I g n i t r o n)㊁火花隙(S p a r kG a p)㊁真空触发开关(T V S)和伪火花开关(P S S)等㊂一般气体开关具有耐压高㊁上升沿快㊁单次传输的脉冲能量大等优点,在低频大型大功率装置中成为首选开关㊂但气体开关也有明显的缺陷,比如需高压触发㊁重复频率低㊁工作稳定性差,电极易烧蚀㊁寿命有限,而这些不足也导致气体开关无法满足某些应用领域的要求㊂例如,广泛应用于工业㊁医疗和科研领域的小能量准分子激光器一般就是采用闸流管释放高压储能电容器中的能量来产生快放电激励㊂该模式的优点是结构紧凑,主放电回路简单㊂但在类似半导体光刻等领域,准分子重复频率高达数k H z,但是闸流管的工作寿命较短,而且还存在残余振荡及其老化过程中的自导通等缺陷,所以上述放电模式无法满足这些场合[6]㊂随着半导体技术的发展,功率半导体器件以体积小㊁寿命长㊁易触发㊁重频高㊁可控性强㊁可靠性高等优点逐渐取代了气体开关而成为脉冲功率源中的主导开关㊂常用半导体固态开关包括晶体管㊁晶闸管㊁MO S F E T, I G B T等㊂但是,半导体固态开关一般工作电压较低,最高约数k V,用于数十k V及以上高压时需要相对复杂的串并联㊂磁脉冲压缩开关是一种被动型全固态开关,其本质为电感量可变的可饱和电感,利用电感的饱和过程来实现关断和开通状态的切换㊂磁开关具有恢复时间短㊁可高重复频率运行以及无电离和开关电极烧蚀问题等特点[7]㊂半导体固态开关与磁开关结合使用,可以实现数十k V及以上的高压大电流脉冲㊂在高重复频率的准分子激光器中,利用功率半导体开关结合多级磁脉冲压缩开关的方法产生高压快脉冲来替代传统的闸流管,这样能避免闸流管的缺陷,而且半导体开关和磁脉冲开关在长期高重复频率下性能无明显下降,所以这一技术几乎可以不考虑寿命问题㊂随着现代工业要求的不断提升,对高压脉冲电源的要求也不断提高,半导体功率器件越来越受到人们的重视,对全固态脉冲功率发生器的研究也越来越深入㊂2全固态脉冲电源在准分子激光光源中的应用准分子激光器是目前紫外波段输出功率最大的激光器件㊂自1970年H.G.B o s o v采用强流电子束激发液态氙得到X e2准分子激光输出,四十多年来,准分子激光器得到了快速发展㊂特别是稀有气体卤化物准分子激光器,由于其脉冲能量大㊁输出峰值功率高㊁波长在紫外波段等特点,发展尤为迅速,也成为了目前主要使用的准分子激光器,在工业㊁医疗㊁科研等领域得到广泛的应用[8-11]㊂集成电路光刻是准分子激光器最大的工业市场之一㊂随着现代工业要求的不断提高,需要准分子激光器的平均输出功率也不断提高,而实现高平均输出功率的途径有两个方向:一是采用相对低的重复频率,高单脉冲能量运行;二是高重复频率,低脉冲能量运行㊂在半导体光刻等对剂量要求严格的微细加工领域,重复频率越高越有利于对加工的精确控制,因此,近二十年来,高重复频率是工业准分子激光器的研究重点㊂光刻用准分子激光器的重复频率高达数k H z,所以常规基于闸流管的高压脉冲电源放电寿命明显有限,因为闸流管典型寿命约109次脉冲㊂全固态高压脉冲电源利用半导体开关结合多级磁脉冲压缩开关的方法来产生高压快脉冲,则可以解决这个问题㊂040019-2040019-3常用的全固态脉冲激励主回路如图1所示㊂使用磁开关进行脉冲压缩主要是利用磁开关饱和前后磁导率的差异,差异越大则越有利于脉冲压缩㊂设计磁开关饱和电感L n (s a t )远小于前级磁开关饱和电感L (n -1)(s a t ),使电容值同前级相等或减小,则磁开关饱和后振荡周期减小,能量转移速度加快,从而实现脉冲宽度压缩㊂F i g .1 S i m p l i f i e d c i r c u i t s c h e m a t i c o f t h e a l l s o l i d s t a t e p u l s e d p o w e r s u p p l y图1 全固态脉冲电源示意图图中的M S 1,M S 2,M S 3为磁脉冲压缩开关,也是全固态脉冲电源的核心部件,其实质为一种非线性电感,利用其饱和前后的电感差异来改变电路的工作状态㊂充电电源对初级储能电容C 0进行充电,控制C 0电压可调节最终输出脉冲能量㊂半导体开关S 导通,C 0通过脉冲变压器对C 1充电,在C 1电压上升过程中,磁开关M S 1处于未饱和状态,可近似认为断路;当C 1电压达到最高时,M S 1正好饱和,此时被视为一个很小的电感,此时C 1对C 2快速放电,脉冲上升时间大大缩短,从而实现了磁开关的脉冲压缩作用㊂同理,经过M S 2,M S 3等后续磁开关的压缩过程,最末端的电容上电压和上升时间达到需要的指标,输出到负载上㊂ 磁开关饱和前电感非常大,可近似为断路㊂当磁开关前端电容电压上升到最大时,磁开关饱和,其饱和前后电感大小为L u n s a t (s a t)=μ0μu n s a t (s a t )A N 2l(1)式中:μ0为真空磁导率;μu n s a t (s a t )分别为磁开关饱和前(后)磁芯的相对磁导率,磁芯饱和时的相对磁导率μs a t 跟磁开关饱和深度有关;A 为磁芯有效截面积;N 为磁开关绕线匝数;l 为磁开关平均磁路长度㊂根据L C 振荡电路的参数计算公式ωu n s a t (s a t)=1L u n s a t (s a t)C ,由于L u n s a t ≫L s a t ,所以从本质上讲是电路以一个角频率为ω1的振荡过程转换成以更高的角频率ω2的振荡过程㊂宏观上其饱和过程相当于一个开关导通的过程㊂通过上式可知,能量转移时间与回路电容和磁开关饱和电感关系为τn =πL n (s a t )(C n +1+C n +2)2(2)磁开关的耐压时间与磁开关参数的关系可通过磁开关的伏秒积公式表示为ʏt s a tV (t )d t =N ΔB A(3)式中:t s a t 为磁开关耐压时间;V (t )为磁开关承受电压;ΔB 为磁芯材料磁通密度摆幅㊂由式(3)可以推导磁开关耐压时间近似表达式为t s a t =2ΔB N A /V 0(4)F i g .3 T y p i c a l c a p a c i t o r v o l t a g ew a v e f o r m s o f a t h r e e s t a g em a g n e t i c p u l s e c o m pr e s s i o n c i r c u i t 图3 典型三级磁脉冲压缩电路中的电容电压波形磁脉冲压缩开关参数选取主要依据式(2),(4)及电路振荡参数㊂通过磁开关转移时间的设定值,根据式(4)结合式(2)即可选择合适的磁芯材料几何尺寸㊂通过如图2所示的激励电路设计的磁开关压缩波形如图3所示[12]㊂ 随着半导体光刻对光源输出功率和带宽控制要求的提高,早期单腔体结构准分子激光在功率和线宽方面不能兼顾而使光源供应商探索新的技术㊂全球最大的光刻光源供应商C y m e r 利用如图4所示的MO P A (M a s t e rO s c i l l a t o rP o w e rA m pl i f i e r )双腔结构提高输出功率,并不断改良其输出性能,已应用于X L A 系列机型㊂但由于线宽压窄导致的极低电光转换效率,大能游利兵等:全固态高压脉冲电源在半导体光刻光源中的应用040019-4量的放电激励使MO 腔的寿命明显偏低㊂另外,P A 腔输出受MO 和P A 同步抖动影响较大,激光能量输出稳定性很难提高㊂后来,C ym e r 公司开发了环形腔技术,采取如图5所示的MO P R A (M a s t e rO s c i l l a t o rP o w e r R e g e n e r a t i v eA m pl i f i e r )双腔结构,弥补了上述MO P A 结构的不足㊂MO P R A 结构与MO P A 结构相比最大的不同就是放大腔采用了再生功率放大,而不是如MO P A 结构的单程或双程放大,种子光注入后,在放大腔中停留时间长,且放大腔工作在深度饱和状态㊂双腔结构准分子激光器与单腔结构相比,能量大㊁寿命长㊁效率高㊁输出能量更稳定㊁输出脉冲宽,大大提高了准分子光刻光源的性能,促进了半导体光刻技术的发展㊂F i g .4 S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h eMO P Aa r c h i t e c t u r e (C ym e r ,I n c )图4 MO P A结构示意图F i g .5 S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h eMO P R Aa r c h i t e c t u r e (C ym e r ,I n c )图5 MO P R A 结构示意图相应地,双腔结构准分子激光器对全固态脉冲电源也提出了特殊需求㊂由于准分子激光的激励特性,要求MO P A 或MO P R A 结构运转的准分子激光系统需要双腔放电时刻ʃ5n s 内精确同步㊂因此,为双腔提供高压激励脉冲的两套全固态脉冲电源需要特殊设计以满足要求㊂如图6所示,为C ym e r 公司的双腔结构全固态脉冲电源系统示意图[13]㊂为了实现两路脉冲输出ʃ5n s 内精确同步,设计了初级储能电容C 0电压的精确检测和控制系统,因为C 0m 和C 0p 电压相差1V 便会导致数十n s 的时间误差;此外,对主开关S 专门研制了高速低抖动的驱动电路,控制开关导通抖动在ʃ2n s 内;另外,还设计了同步控制模块,通过实时监测输出脉冲时刻反馈控制主开关动作时间,从而实现两路脉冲输出ʃ5n s 内精确同步㊂目前,半导体光刻光源生产商的全固态脉冲电源大都采用类似技术和构架㊂F i g .6 S c h e m a t i c d i a g r a mo fC y m e r s d o u b l e -c a v i t y a l l -s o l i d -s t a t e p u l s e p o w e r s y s t e m 图6 C ym e r 公司双腔结构全固态脉冲电源系统示意图3 全固态脉冲电源在E U V 光源中的应用E U V 光刻技术中,E U V 光源是其面临的最困难的技术挑战㊂极紫外光源的实现方案主要有:同步辐射源㊁激光等离子体(L a s e rP r o d u c e dP l a s m a ,L P P )极紫外光源㊁放电等离子体(D i s c h a r geP r o d u c e dP l a s m a ,D P P )极紫外光源等㊂其中,同步辐射源具有脉冲窄㊁亮度高㊁准直性好等优点,用该光源来产生X 射线能够获得较高的分辨率,但是同步辐射光源的造价太高,不能在大规模生产应用中推广使用㊂故主流实现E U V 光刻光源的方案为L P PE U V 和D P PE U V ㊂图7为两种方案的基本原理示意㊂X T R E M E 公司于2003年研制出了世界第一台型号为X T S 13-35的放电X e 等离子体极紫外光源商业机,强激光与粒子束040019-5如图8所示,该样机可工作在1k H z 的重复频率下,输出功率为35W ,焦点功率为3.5W [14]㊂在国际上处于领先地位的荷兰A S M L 公司也已推出多款极紫外光刻机样机,其中N X E 3100为第一代光刻演示样机,采用X T R E M E 公司激光辅助放电等离子体极紫外光源,焦点功率只有4~5W [15],N X E 3300为第二代光刻样机,采用L P PE U V 光源,光源焦点功率达到210W ,能够满足工业生产的要求[16]㊂该公司于2017年推出了TW I N S C A N N X E :3400B 光刻机,分辨率提升至13n m ,产率高达125W ㊃h -1,该产品也将支持7n m 和5n m 节点的E U V 批量生产㊂F i g .7 E U Vs o u r c e s f o r l i t h o g r a p h y a p p l i c a t i o n s b a s e do n l a s e r -(l e f t )o r d i s c h a r g e -p r o d u c e d (r i g h t )p l a s m a s o f t i n 图7 基于激光(左)或放电(右)产生锡等离子体光刻应用的E U V 源目前,L P PE U V 技术虽然较为成熟,但是电能转换为光能,再转换为等离子体,从而产生E U V 辐射,整体过程转换效率极低,而且作为驱动源的大功率激光器的购买和运营成本也相对较高㊂相比之下,D P PE U V 光源是利用高压脉冲放电使X e 或S n 靶形成高温高密度等离子体,通过等离子体Z 箍缩过程使高价离子产生能级跃迁辐射出13.5n m 极紫外光,理论上说,因为D P PE U V 光源是直接将电能转换为等离子体能,光源转换效率相对较高,而且放电装置比高能激光装置结构简单,成本相对较低,在大规模工业应用中具备一定优势㊂ 由于E U V 光刻从生产角度出发要求D P PE U V 光源重复频率需要达到近10k H z ,因此全固态脉冲电源是最合适的放电电源㊂用于D P PE U V 的全固态脉冲电源拓扑结构与准分子光源中的全固态脉冲电源结构类似,只是负载特性略有差异,另外对输出脉冲能量要求不同㊂准分子光源对电源输出脉冲能量要求在2~4J,D P PE U V 光源要求电源输出脉冲能量在10~20J,因此平均功率水平需要较高,全固态脉冲电源的热管理将是较大难点㊂图9为C ym e r 公司研制的一台52k W 的D P PE U V 用全固态脉冲电源[13]㊂F i g .8 X T R E M ET e c h n o l o g y C o m p a n y X T S13-35p r o t o t y pe 图8 X T R E M E 技术公司X T S13-35样机F i g .9 A l l -s o l i d -s t a t e p u l s e p o w e r s u p p l y f o rD P PE U V 图9 D P PE U V用全固态脉冲电源F i g .10 S c h e m a t i c d i a g r a mo fU s h i o s a l l -s o l i d -s t a t e p u l s e p o w e r s u p p l y fo rD P PE U V 图10 U s h i o 公司D P PE U V 用全固态脉冲电源示意图日本U s h i o 公司利用I G B T 结合磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源驱动D P P 实现了E U V 光源8k H z 的重复频率运行,光源的平均输出功率700W 左右,光学聚焦后可达到62W 的功率输出[17]㊂设计的全固态脉冲电源结构如图10所示㊂哈尔滨工业大学开展了基于放电X e 等离子体的1k H zD P PE U V 光源开发工作[18]㊂设计的全固态脉冲电源如图11所示,采用了三级磁脉冲压缩技术,输出脉冲电压幅值15~35k V 可调,电流幅值15~40k A 可游利兵等:全固态高压脉冲电源在半导体光刻光源中的应用040019-6调㊁电流脉宽110~500n s 可调㊂F i g .11 S c h e m a t i c d i a g r a mo fH I T s a l l -s o l i d p u l s e p o w e r s u p p l y f o rD P PE U V 图11 哈尔滨工业大学D P PE U V 用全固态脉冲电源示意图4 相关研究进展近十年来,中国科学院安徽光学精密机械研究所对准分子激光用全固态脉冲高压电源开展了持续研究[19-20]㊂2009年,针对输出激光脉冲能量5~8m J 的A r F 准分子激光器,利用国产可控硅和软磁材料,设计了可控硅开关结合三级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源㊂电源示意图如图12所示㊂F i g .12 S i m pl i f i e d c i r c u i t s c h e m a t i c o f S S P P M 图12 全固态脉冲激励电路示意图图中,C 1为2.2μF 的低压储能电容,C 2,C 3,C 4均为8.16n F ,30k V 高压陶瓷电容,C d 取7.1n F ,20k V 高压陶瓷电容,S 3为作为主开关的可控硅,其详细参数见表1㊂M S 1,M S 2,M S 3为磁开关,采用国产铁基非晶和纳米晶材料,详细设计参数见表2㊂表1 可控硅主要参数列表T a b l e 1 P a r a m e t e r s f o r s i l i c o n c o n t r o l l e d r e c t i f i e rV D R M/VV R R M/VI T (A V )(T h s55ħ)/At q (100ħ)/μs I T S M (10m s )/k A (d V /d t )/(V ㊃μs -1)(d i /d t)/(A ㊃μs-1)I D R M/m A I R R M/m A 25002500250035~7027500600200200表2 磁开关设计参数列表T a b l e 2 D e s i g n p a r a m e t e r s f o rm a gn e t i c s w i t c h e s m a t e r i a l B s /T ΔB /T t o t a l c r o s s s e c t i o n /c m2m a g n e t i c l e n gt h /c m n u m b e r o f t u r n sf i r s t s t a ge 1K 1011.562.711.2520.426s e c o n d s t a g e 1K 1071.252.17.216.46t h i r d s t a ge 1K 1071.252.12.416.44全固态脉冲电源输出电压调节范围10~14k V ,输出脉冲能量0.35~0.68J ㊂该电源驱动自制的A r F 准分子激光头,工作气压0.6M P a ,重复频率10H z 运行时获得的最大单脉冲能量为8.8m J 激光输出㊂高压电容C 2,C 3,C 4,C d 电压波形如图10所示㊂电容C 2,C 3,C 4电压上升时间分别为5μs ,750n s ,250n s ,最后一级放电电容C d 电压上升时间约150n s㊂F i g .12 M e a s u r e dv o l t a g ew a v e f o r m s o n c a pa c i t o r s 图12 实验测得电容器电压波形2013年,开展了k H z 准分子激光器全固态脉冲激励源的设计㊂设计的基于两级磁脉冲压缩开关的全固强激光与粒子束040019-7态脉冲电源如图13所示㊂其中,U D C 为大功率恒压恒流直流电源,主开关S 0为大功率半导体开关管I G B T ,C 0为低压电容,L 0为电感,T 为脉冲升压变压器㊂C 1,C 2均为10n F ,30k V 的高压陶瓷电容,C d 为8n F ,20k V 的高压陶瓷电容,M S 1,M S 2为两级磁脉冲压缩开关㊂F i g .13 S i m p l i f i e d c i r c u i t s c h e m a t i c o f a l l -s o l i d -s t a t e p u l s e d p o w e r s u p p l y 图13全固态脉冲电源主回路F i g .14 S c h e m a t i c d i a g r a mo fw a t e r -c o o l i n g l o o p t o p r o t e c t s y s t e m 图14 水冷循环保护系统示意图为了更好地绝缘和散热,减小激励源体积,把脉冲升压变压器及两级磁脉冲压缩开关集成到充满变压器油的高压油箱内㊂油箱外接油泵对油箱内变压器油进行抽运循环,由油箱内抽出的变压器油流经多层热交换器与交错对流的冷却水进行热交换㊂半导体开关管I G B T 在高重复频率工作时温升速度加快,为了防止I G B T 温升过高,设计水冷散热片对I G B T 进行散热㊂图14为实验过程中的水冷循环保护示意图,I G B T 水冷散热板上装有温控开关,防止I G B T 温度过高,与控制系统连接的热敏电阻装在油箱内,以控制油箱内温度变化,利于系统稳定运行㊂图15为直流充电电压800V ㊁工作频率1k H z 时,测得电容器C 1,C 2,C d 的电压波形㊂可以看到,C 1,C 2,C d 电压分别为19.2k V ,18.0k V ,16.5k V ,电压上升时间依次缩短,分别为6μs ,750n s ,90n s,放电电容C d 放电脉冲上升时间为90n s ,脉冲电压为16.9k V ,满足A r F 准分子激光器的泵浦要求㊂F i g .15 M e a s u r e dv o l t a g ew a v e f o r m s o n c a pa c i t o r s 图15 实验测得电容器电压波形近年来,针对光刻用准分子激光光源,开展了应用于双腔结构准分子激光器的全固态脉冲电源研究㊂其电路主体结构如图16所示㊂其中,MO 通道和P A 通道是全固态脉冲电源两个参数一致的激励通道㊂直流电源模块提供500~900V 的直流电压,C l b 为大容量滤波电容㊂直流电源㊁开关S W 1㊁充电电感L 1与两个通道中的C 0构成两个谐振充电回路,实现对初级储能电容C 0的充电㊂电压检测与控制模块通过对低压储能电容C 0电压实时检测,根据设定电压对电容电压值进行快速精确的调节㊂在两个通道中:C 0,S W 3㊁升压变压器和C 1构成升压模块,MO 通道中升压模块的S W 3m 首先被触发,C 0m 能量经升压变压器对C 1m 充电升压,产生脉宽约5~8μs 的15~20k V 高压脉冲㊂之后,MO 通道磁压缩模块中的磁开关M S 1m ,M S 2m 逐级对脉冲宽度进行压缩,到达末级电容C d m 上时,电压上升时间为100n s 以下,从而达到对主振激光腔快放电激励的要求㊂P A 通道中升压模块的S W 3p 被延迟后触发,脉冲形成过程与MO 通道类似,放大腔的放电激励迟后发生㊂通过外部同步控制模块对两路通道的脉冲输出时刻进行调节,使两路输出精确同步,延时抖动不超过ʃ5n s㊂游利兵等:全固态高压脉冲电源在半导体光刻光源中的应用040019-8F i g .16 A l l -s o l i d -s t a t e p u l s e p o w e r s u p p l y w i t hd o u b l e c a v i t y s t r u c t u r e 图16 双腔结构的全固态脉冲电源该双腔结构的全固态脉冲电源实验结果如图17所示,其中(a )图为MO 通道C 1m 高压脉冲波形,(b )图为P A 通道C 1p 高压脉冲波形,(c )图为MO 通道C d m 和P A 通道C d p 输出电压波形,(d )图为4k H z 运行时的波形图㊂从实验结果可以看出电源最终输出脉冲上升沿均为90n s ,C d m 脉冲电压17.4k V ,C d p 脉冲电压18.1k V ,输出两路脉冲抖动<ʃ4n s ,重复频率达到4k H z㊂F i g .17 E x pe r i m e n t a l r e s u l t s 图17 实验结果5 结 论未来半导体光刻将在相当一段时间继续使用准分子激光光源,E U V 光源将在10n m 以下节点工艺逐渐替代准分子光源㊂全固态高压脉冲电源作为准分子激光光源和D P PE U V 光源的主流激励源,将根据光刻技术的发展不断更新和提高相关技术㊂全固态高压脉冲电源技术的发展的趋势是更高重复率㊁更高输出电压㊁更陡的输出上升沿,针对半导体光刻光源应用,提高电源效率降低热管理要求㊁智能化设计降低故障诊断难度㊁模块化设计减少部件更换时间㊁降低成本等都将是全固态高压脉冲电源的研究方向㊂全固态高压脉冲电源技术的进步将提升光刻光源的性能,更好地为半导体产业服务㊂强激光与粒子束游利兵等:全固态高压脉冲电源在半导体光刻光源中的应用参考文献:[1]蒋文波,胡松.传统光学光刻的极限及下一代光刻技术[J].微纳电子技术,2008(6):361-365,369.(J i a n g W e n b o,H uS o n g.T h e l i m i t s o ft r a d i t i o n a l o p t i c a l l i t h o g r a p h y a n dn e x t g e n e r a t i o n l i t h o g r a p h y.M i c r o n a n o e l e c t r o n i cT e c h n o l o g 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脉冲充电电源使用说明书脉冲充电电源使用说明书一、产品简介脉冲充电电源是一种专门为各类电池充电的设备，采用先进的脉冲技术，具有快速充电、高效节能、使用方便、安全可靠等特点。

它适用于各种蓄电池、储能设备以及其他需要充电的电气产品。

二、产品特点和优点1、快速充电：采用脉冲充电方式，可大大缩短充电时间，提高充电效率，节省用户时间。

2、高效节能：较传统充电方式，能效更高，有效降低充电成本，同时减小对电力资源的占用。

3、使用方便：操作简单，只需将电源与待充电设备连接，即可实现自动充电。

4、安全可靠：具有过压、过流、过热等多重保护功能，确保充电过程安全可靠。

三、使用步骤1、在使用前，请确保脉冲充电电源已正确连接至电源插座，并检查电源线是否完好无损。

2、将待充电的电池放入充电器中，注意正负极方向，确保连接可靠。

3、按下脉冲充电电源的开关，指示灯亮起，表示电源已正常工作，开始对电池进行充电。

4、充电完成后，指示灯会变成绿色，表示充电已完成。

此时可关闭脉冲充电电源，或取出已充好的电池。

四、注意事项1、使用前请仔细阅读说明书，了解产品特点和操作方法。

2、请勿在充电器工作时移动设备，以免发生意外。

3、若发现充电器异常，如损坏、变形等情况，请立即停止使用，并及时联系售后服务中心。

4、请勿在潮湿或高温环境下使用脉冲充电电源，以免造成设备损坏或安全隐患。

五、故障排除1、若充电器无法正常工作，请检查电源是否接通、电源线是否完好无损以及电池是否正确安装。

2、若充电器指示灯不亮，可能是电源适配器或指示灯损坏，请联系售后服务中心进行检修。

3、若充电器充电速度过慢或电池无法充满电，可能是电池老化或内阻过大，建议更换新的电池。

六、版权声明本说明书版权归本公司所有，未经许可，不得复制或传播。

用户在使用本产品时应遵守相关法律法规及规章制度，如有违反，将承担相应的法律责任。

七、售后服务本公司提供全面的售后服务，若用户在使用过程中遇到任何问题，可以通过以下方式联系售后服务中心：电话：xxx-xxxx-xxxx 邮箱：*************微信公众号：xxxxxx八、常见问题解答1、问：脉冲充电电源适用于哪些类型的电池？答：脉冲充电电源适用于各类蓄电池、储能设备以及其他需要充电的电气产品。

高稳定度全固态脉冲源的优化设计与评估随着通信技术的发展，脉冲源的性能要求越来越高，具有高稳定性、高精度、高动态范围以及高效率等特点，被广泛应用在工业、军事、航空、医疗等领域。

比传统的工作介质，全固态脉冲源具有更高的稳定性和效率，具有更广的应用前景。

【全固态脉冲源的优化设计】通过优化设计全固态脉冲源，可以提高其稳定性能和效率，从而提高系统的性能。

在设计全固态脉冲源时，需要考虑输入电源、结构、负载、输出等因素。

1、输入电源是提供能量的关键，具有很高的稳定性和耐受性，需要考虑电源前置滤波器，加装适当的电源调整电路；2、结构是全固态脉冲源的核心，结构设计要求既实用又可靠，能够满足功率的需求；3、负载的要求会随着系统的稳定性而改变，需要考虑负载的结构设计，及其稳定性与输出功率；4、输出稳定性是全固态脉冲源的关键，输出电压需要经过滤波，来抑制电源噪音，保障输出稳定性。

【评估原理】在优化设计全固态脉冲源的过程中，我们需要对其稳定性进行评估，以验证优化设计是否成功，以下为常用的稳定性评估原理：1、随机稳定性：根据工作的时间特征，将全固态脉冲源的信号划分为3个域，分别是时间频率分析、瞬变和随机分析；2、线性稳定性：线性稳定性用来检测全固态脉冲源的输入和输出之间的线性关系，主要测量其轨迹回归系数、输入和输出的线性相关系数等；3、动态稳定性：动态稳定性是检测全固态脉冲源的动态范围，通过测量其最大输出电压和最小输出电压，以及噪声、瞬变、抖动等；4、精确度：精确度是检测全固态脉冲源输出电压、频率和功率的准确性，通过测量输出功率和输出电压的均方根偏差，以及输出电压和频率的变化率来实现。

【结论】在进行全固态脉冲源优化设计时，既要考虑输入电源、结构和负载等因素，也要对其稳定性进行评估，以确保设计的成功实现。

通过上述原理，可以验证优化设计后的全固态脉冲源的稳定性和精度，从而保证系统的高性能。

电除尘电源的第三个里程碑连成环保EPP-Ⅱ型高压脉冲电源的研发及应用电除尘器在我国已有30年以上的历史，自然作为电除尘器的重要部分--高压电源也已经走过30多年的历程了。

在这三十多年中,电除尘器电源有单相工频可控整流电源、工频恒流电源、三相可控整流电源、中频电源、调频式高频电源和调幅式高频电源及脉冲电源等多种形式。

但是从研发和应用的广度和深度来看,从1985年至2000年主要是工频电源,这是第一个里程碑; 2001 年至2015年主要是第二个里程碑--高频电源;从现在开始,电除尘器高压电源已经步入了第三个里程碑一脉冲电源。

估计再过十年或十五年，脉冲电源也会如今天的高频电源一样，得到大家的认可和广泛的应用，到2030年新建电除尘器选择电源时，人们就不会考虑工频电源，很少考虑高频电源，而是更多地考虑脉冲电源了。

高压脉冲电源高压脉冲电源主要由采用移相ZVT-PWM控制技术的全桥逆变电路和多个相互独立的低压固体开关式脉冲形成单元组成，以DSP为控制核心，以窄脉冲（100us及以下）电压波形输出为基本工作方式。

在不降低或提高除尘器运行峰值电压的情况下，通过改变脉冲重复频率调节电晕电流，以抑制反电晕的发生，使电除尘器在收集高比电阻粉尘时有更高的收尘效率。

常见的脉冲供电装置有三种类型第一种是高压脉冲电源装置使用火花间隙产生脉冲这种方法装置简单、费用较低，但要求有高精度的维护水平；其脉冲宽度在微秒量级或更窄工作峰值电压比常规电源提高较显著但目前功率容量相对较小。

第二种是采用贮能式原理，由半导体开关、贮能电容、脉冲变压器漏感和电除尘器电容组成串联谐振电路产生高压脉冲，在脉冲期间未被电除尘器耗用的脉冲能量通过反馈二极管回送到贮能电容贮存起来，以供下一个脉冲使用，具有显著节能的优点。

第三种是多脉冲供电装置。

其特点是基础直流电压和叠加的脉冲都取自同一个特殊的变压整流器，所产生的脉冲是每间隔3ms~100ms发出50us~100us宽的短脉冲群。