CN103036146B - 一种准分子激光器脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
一种准分子激光器脉冲电源，属于脉冲功率技术，解决现有脉冲电源中高压磁开关需要较复杂复位电路的问题，以简化电路结构，提高可靠性。本发明包括IGBT开关管、开关管驱动电路、一级磁开关、直流偏置电流源、可饱和脉冲变压器和二级磁开关。本发明在一级磁开关压缩电路设置直流偏置电流源，可控制调节初级储能电路能量转移效率、脉冲压缩宽度以及脉冲延时；利用可饱和脉冲变压器次级绕组和二级磁开关两端充放电电压方向相反的特殊性，省去了磁芯复位电路，两级磁开关均可在长期高重复率条件下工作，具有较强的通流能力和较高的耐压承受等级，故障率极低且基本免维护；特别适用于要求精准延时控制的光刻用短脉冲放电激励的气体激光器。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术，具体涉及一种准分子激光器脉冲电源。
背景技术
激光脉冲电源的特性对激光器的工作性能有很大影响，对于放电泵浦的脉冲气体激光器，为了获得较高的激光能量输出，要求在高气压气体介质中获得空间上均匀的辉光放电，时间上维持较长的放电稳定性，并使之具有高提取效率。
高能量、高功率脉冲气体激光器，通常放电截面较大，气体压强较高，气体分子的平均自由程小，击穿电压高，高气压击穿关键是单个电子雪崩引起的空间电荷场变。高气压的均匀辉光放电，需要使电子崩头部电子密度达到一临界值之前就形成自持放电。采用快脉冲放电技术，提高脉冲电压的陡度可以减小放电形成时间，利于形成大面积均匀辉光放电，利于放电能量在气体介质中沉积，提高泵浦效率。在脉冲电压的陡度很小时，辉光放电形成慢，易导致丝状或电弧放电。
KrF、ArF等准分子激光的工作介质上能级寿命仅为10-8s量级，只有短脉冲快速放电才能形成粒子数反转，产生激光输出。一般要求激励脉冲上升时间少于150ns。常用来泵浦准分子激光的方式有：电子束泵浦和放电泵浦。
电子束泵浦准分子激光器的输出能量可达数千焦耳，但由于其体积庞大、结构复杂、成本高昂、不能高重复频率运行。
放电泵浦激光器是由储能系统通过高压开关向激光气室放电，放电通道中的电子通过碰撞电离激发气体分子，而形成激光。放电泵浦准分子激光器与电子束泵浦器件相比具有平均功率高、结构紧凑及可高重复频率运行等优点。目前，放电泵浦准分子激光器已经实现了小型化和商品化，并广泛应用于材料、光谱、非线性光学等科学研究领域及工业、医疗、环保等领域。
2000年，美国Cymer公司William N.Partlo和Daniel L.Birx等人发明了一种高重复频率的脉冲电源，见U.S.Patent 5936988。该发明采用了两级磁开关压缩，分别设计在脉冲变压器的原副边，其重复频率能够达到2000Hz以上，获得的脉冲峰值电压可以到12000V。但是该发明两级磁开关压缩均采用了复位直流偏置电路，在变压器副边磁开关的复位偏置电路耦合了上万伏的高压，由于普通元器件的抗高压能力不够，使得复位偏置电路设计非常复杂。但这种复位直流偏置电路，提供了一种脉冲延时控制的微调手段。
中国发明专利号：200910049032.X公开了一种全固态高压纳秒脉冲电源，该发明分为串联升压电路及磁开关脉冲压缩电路两部分，其中串联升压电路是由一系列充电开关及电容器组组成。该发明的优点是通过控制系统中的功率开关器件的导通和关断，可以方便调节输出电压脉冲的幅值和脉宽。但是由于采用的串联升压电路转换效率不是很高，不能达到准分子激光器需要的高功率要求。
2004年以色列APokryvailo和MWolf等研制用于电晕放电处理污水的脉冲功率发生器，见Pokryvailo A，Yankelevich Y，wolf Metal.A high-power pulsed corona sourcefor pollution control applications[J].IEEE Transactions on Plasmascience，2004，32(5)：2045-2054。该脉冲功率发生器的平均功率为1kw，频率为1kHz，负载为120Ω的电阻时，脉冲峰值达到45kV，脉冲前沿上升时间小于20ns，脉冲宽度为200ns。该发明只在可饱和脉冲变压器副边设计了一级磁开关，脉冲变压器饱和时与磁开关两端充放电方向相反，可以省去磁芯复位电路，使得磁开关和脉冲变压器在重复脉冲下可进行自复位，避免饱和，当脉冲变压器副边的第一电容充电到最大值时，脉冲变压器饱和，此时第一电容两端的电压迅速倒向，与之串联的第二电容上的电压达到第一电容两端电压的两倍。此发明由于对元件参数的设置非常严格，实际试验时由于磁开关材料的不同，难以达到理想的效果。
发明内容
本发明提供一种准分子激光器的脉冲电源，解决现有脉冲电源中高压磁开关需要较复杂复位电路的问题，以简化电路结构，提高可靠性。
本发明所提供的一种准分子激光器脉冲电源，包括IGBT开关管、一级磁开关、可饱和脉冲变压器和二级磁开关，其特征在于：
开关管驱动电路连接所述IGBT开关管栅极，IGBT开关管源极连接直流电压源正极，并通过第一电容和电感连接一级磁开关绕组线圈一端，一级磁开关绕组线圈另一端连接所述可饱和脉冲变压器初级绕组线圈一端，IGBT开关管漏极连接直流电压源负极和可饱和脉冲变压器初级绕组线圈另一端，所述一级磁开关绕组线圈一端通过第二电容连接可饱和脉冲变压器初级绕组线圈另一端，直流偏置电流源与所述一级磁开关环形磁芯上的耦合线圈连接；
所述可饱和脉冲变压器次级绕组线圈一端通过第三电容连接所述二级磁开关绕组线圈一端，所述二级磁开关绕组线圈另一端连接高压硅堆负极并通过第四电容接地，所述可饱和脉冲变压器次级绕组线圈另一端连接高压硅堆正极并接地，可饱和脉冲变压器次级绕组线圈两端之间并联第五电容；所述第四电容两端为输出端。
所述的准分子激光器脉冲电源，其特征在于：
所述IGBT开关管的通流容量不小于1200A，1ms内允许通过的最大电流不小于2400A，耐压值不小于1700V，导通时间不大于500ns，关断时间不大于1200ns；
所述开关管驱动电路根据对应的IGBT开关管选用；
所述直流偏置电流源输出端能够承受电压不小于一千伏，输出直流电流在0～10A可调；
所述高压硅堆的耐压值不小于50kv，直流通态电流不小于2A。
所述的准分子激光器脉冲电源，其特征在于：
所述一级磁开关由两个环形磁芯和绕组线圈构成，两个环形磁芯上下叠加，绕组线圈为一匝；
所述二级磁开关由四个环形磁芯和绕组线圈构成，四个环形磁芯上下叠加，绕组线圈为五匝；
所述环形磁芯材料为铁基超微晶合金，磁芯饱和磁感应强度不大于1.2T，剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比不小于0.9。
所述的准分子激光器脉冲电源，其特征在于：
所述可饱和脉冲变压器由四个环形磁芯、原边绕组线圈和副边绕组线圈构成，四个环形磁芯上下叠加，原副边绕组线圈匝数比为1∶20～1∶22；
所述环形磁芯材料为铁基超微晶合金，磁芯饱和磁感应强度不大于1.2T，剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比不小于0.9。
IGBT开关管、第一电容、电感、第二电容依次串联构成储能及脉冲形成电路，设定第一电容和第二电容的电容值相等，设定IGBT开关管的导通时间约为8us。一级磁开关通过绕组耦合一个直流偏置电流源构成一级磁开关压缩电路，通过调节直流偏置电流源的电流大小，可以控制一级磁开关的饱和时间，从而有效地提高能量转移效率，使输出电压的峰值尽可能高，并且可提高延时控制的准确度。第三电容、第四电容、二级磁开关以及第五电容依次串联构成二级磁开关压缩电路，当第五电容电压达到最大值时，可饱和脉冲变压器饱和，此时可饱和脉冲变压器的次级绕组电感量急剧下降，导致第五电容的电压快速倒向，当第五电容电压达到反向峰值时，第三电容的电压可以达到两倍于第五电容的电压峰值，在此过程中高压硅堆的作用相当于止回二极管。因为可饱和脉冲变压器与二级磁开关两端充放电方向相反，可以使可饱和脉冲变压器及磁开关在重复脉冲下可自动复位，避免饱和，从而省去了需要耐上万伏高压的复位电路，同时也可以使系统在高压部分能够运行得更加稳定和可靠。调节IGBT开关管源极和漏极之间直流电压源的输出电压在600-900V，可以使第四电容两端输出幅值20-30kv、脉冲前沿上升时间小于100ns的电压脉冲，使准分子气体激光器能够形成稳定的辉光放电。
本发明采用功率半导体开关IGBT结合两级磁开关压缩电路的方式产生高压快速脉冲，在可饱和脉冲变压器初级的一级磁开关压缩电路设置直流偏置电流源，通过调节直流偏置电流源电流的大小，可以调节一级磁开关的饱和导通时间，可控制调节初级储能电路能量转移效率、脉冲压缩宽度以及脉冲延时，克服了磁开关磁芯饱和时间以及脉冲延时不易控制的困难；在经过可饱和脉冲变压器上升到上万伏的二级磁开关压缩电路部分中，利用可饱和脉冲变压器次级绕组和二级磁开关两端充放电电压方向相反的特殊性，省去了磁芯复位电路，解决了需要在高压部分设计复杂直流偏置电流源的问题；两级磁开关均可在长期高重复率条件下工作，具有较强的通流能力和较高的耐压承受等级，故障率极低且基本免维护；特别适用于要求精准延时控制的光刻用短脉冲放电激励的气体激光器。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式：
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的实施例包括IGBT开关管1、一级磁开关5、可饱和脉冲变压器6和二级磁开关10；
开关管驱动电路2连接所述IGBT开关管1栅极，IGBT开关管1源极连接直流电压源正极，并通过第一电容3和电感4连接一级磁开关5绕组线圈一端，一级磁开关5绕组线圈另一端连接所述可饱和脉冲变压器6初级绕组线圈一端，IGBT开关管1漏极连接直流电压源负极和可饱和脉冲变压器6初级绕组线圈另一端，所述一级磁开关5绕组线圈一端通过第二电容7连接可饱和脉冲变压器6初级绕组线圈另一端，直流偏置电流源8与所述一级磁开关5环形磁芯上的耦合线圈连接；
所述可饱和脉冲变压器6次级绕组线圈一端通过第三电容9连接所述二级磁开关10绕组线圈一端，所述二级磁开关10绕组线圈另一端连接高压硅堆11负极并通过第四电容12接地，所述可饱和脉冲变压器6次级绕组线圈另一端连接高压硅堆11正极并接地，可饱和脉冲变压器6次级绕组线圈两端之间并联第五电容13；所述第四电容12两端为输出端。
本实施例中，IGBT开关管1采用德国英飞凌的IGBT产品，型号为：Infineon(eupec)FZ1200R17KE，其通流容量为1200A，1ms内允许通过的最大电流为2400A，耐压值为1700V，导通时间约为500ns，关断时间约为1200ns，具有导通压降低、开关速度快、稳定性好等特点。
开关管驱动电路2选用瑞士CONCEPT公司生产的1SD536F2驱动模块，该模块具备完善的保护功能，如用于短路保护的监测、故障后的信号锁定、欠压锁定、有源钳位功能等。该驱动模块通过DG535四通道数字延时脉冲发生器产生脉冲方波控制。
直流偏置电流源8输出端能够承受电压不小于一千伏，输出直流电流在0～10A可调；
高压硅堆11的耐压值为50kv，直流通态电流为2A。
一级磁开关5由两个环形磁芯和绕组线圈构成，两个环形磁芯上下叠加，绕组线圈为紫铜带绕制，匝数一匝；
二级磁开关10由四个环形磁芯和绕组线圈构成，四个环形磁芯上下叠加，绕组线圈为紫铜带绕制，匝数五匝；
可饱和脉冲变压器由四个环形磁芯、原边绕组线圈和副边绕组线圈构成，四个环形磁芯上下叠加，原副边绕组线圈均采用高强度多股缩醛漆包圆铜导线绕制，匝数比为1∶20；
所述环形磁芯材料为铁基超微晶合金，磁芯饱和磁感应强度为1.2T，剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比为0.9，环形磁芯外径为120mm，内径为80mm，高为20mm，磁芯有效截面积为3×10-4m2，平均磁路长度为10π×10-2m。
第一电容3和第二电容7均选用电容值为8uF的薄膜电容，第三电容9和第四电容12均为并联的高压陶瓷电容，电容值为16nF，第五电容同样为并联的陶瓷电容，电容值为8nF电感4为自制绕组线圈电感，其电感量约为1.4uH。
Claims (4)
1.一种准分子激光器脉冲电源，包括IGBT开关管（1）、一级磁开关（5）、可饱和脉冲变压器（6）和二级磁开关（10），其特征在于：
开关管驱动电路（2）连接所述IGBT开关管(1)栅极，IGBT开关管(1)源极连接直流电压源正极，并通过第一电容（3）和电感(4)连接一级磁开关(5)绕组线圈一端，一级磁开关(5)绕组线圈另一端连接所述可饱和脉冲变压器(6)初级绕组线圈一端，IGBT开关管(1)漏极连接直流电压源负极和可饱和脉冲变压器(6)初级绕组线圈另一端，所述一级磁开关(5)绕组线圈一端通过第二电容(7)连接可饱和脉冲变压器(6)初级绕组线圈另一端，直流偏置电流源(8)与所述一级磁开关(5)环形磁芯上的耦合线圈连接；
所述可饱和脉冲变压器(6)次级绕组线圈一端通过第三电容(9)连接所述二级磁开关(10)绕组线圈一端，所述二级磁开关(10)绕组线圈另一端连接高压硅堆(11)负极同时直接通过第四电容(12)接地，所述可饱和脉冲变压器(6)次级绕组线圈另一端连接高压硅堆(11)正极并接地，可饱和脉冲变压器（6）次级绕组线圈两端之间并联第五电容（13）；所述第四电容（12）两端为输出端。
2.如权利要求1所述的准分子激光器脉冲电源，其特征在于：
所述IGBT开关管（1）的通流容量不小于1200A，1ms内允许通过的最大电流不小于2400A，耐压值不小于1700V，导通时间不大于500ns，关断时间不大于1200ns；
所述开关管驱动电路（2）根据对应的IGBT开关管选用；
所述直流偏置电流源（8）输出端能够承受电压不小于一千伏，输出直流电流在0～10A可调；
所述高压硅堆（11）的耐压值不小于50kv，直流通态电流不小于2A。
3.如权利要求1所述的准分子激光器脉冲电源，其特征在于：
所述一级磁开关（5）由两个环形磁芯和绕组线圈构成，两个环形磁芯上下叠加，绕组线圈为一匝；
所述二级磁开关（10）由四个环形磁芯和绕组线圈构成，四个环形磁芯上下叠加，绕组线圈为五匝；
所述环形磁芯材料为铁基超微晶合金，磁芯饱和磁感应强度不大于1.2T，剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比不小于0.9。
4.如权利要求1所述的准分子激光器脉冲电源，其特征在于：
所述可饱和脉冲变压器由四个环形磁芯、原边绕组线圈和副边绕组线圈构成，四个环形磁芯上下叠加，原副边绕组线圈匝数比为1:20～1:22；
所述环形磁芯材料为铁基超微晶合金，磁芯饱和磁感应强度不大于1.2T，剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比不小于0.9。
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