CN113934166A - 准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统 - Google Patents

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江锐
袁钊
李�学
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Abstract

本公开提供了一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，包括：环境信号采集及处理单元，用于采集所述准分子激光器的工作环境信号，并形成环境状态监测信号；多路状态互锁单元，连接至环境信号采集及处理单元，用于锁存环境状态监测信号，并输出互锁电平信号及状态上传信号；MCU主控单元，连接至多路状态互锁单元，用于接收并处理所述状态上传信号；脉冲触发输出单元，连接至多路状态互锁单元，用于接收前级触发脉冲信号，并根据多路状态互锁单元输出的互锁电平信号控制固态开关的通断。本公开能够精确控制并监测激光器每次触发出光时的电源状态，出现异常时立刻互锁输出，从而保护激光器高压脉冲电源可靠运行。

Description

准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统
技术领域
本公开涉及准分子激光器领域，尤其涉及一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及监测系统。
背景技术
准分子激光器是一种面向深紫外特征应用的脉冲式气体激光器，具有高重频，大能量，短波长，窄线宽等特点，是优秀的光刻系统用激光光源。其中，固态开关是激光器高压脉冲电源重要组件，能够将高压直流电压逆变成激光器放电所需的初级脉冲高压信号。
随着准分子激光器的发展，对高压脉冲电源的固态开关的稳定可靠运行提出更高要求。固态开关产生的初级脉冲高压信号VC0，幅值过高会造成主回路开关器件IGBT或二极管的过压损坏，幅值过低将导致激光器放电腔不完全击穿，出光能量过低。同时，在准分子激光器高重频放电时，高压脉冲电源内部核心器件会明显发热，器件过热也会造成高压脉冲电源不稳定运行。因此，亟需一种能精确控制并监测准分子激光器每次触发出光时的电源状态的系统，以此来满足准分子激光器对各模块性能及其使用寿命的要求，保护激光器高压脉冲电源可靠运行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，包括：
一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，包括：
环境信号采集及处理单元，用于采集所述准分子激光器的运行环境信号，并形成环境状态监测信号；
多路状态互锁单元，连接至所述环境信号采集及处理单元，用于锁存所述环境状态监测信号，并输出互锁电平信号及状态上传信号；以及
MCU主控单元，连接至所述多路状态互锁单元，用于接收并处理所述状态上传信号；
脉冲触发输出单元，连接至所述多路状态互锁单元，用于接收高压脉冲电源固态开关的前级触发脉冲信号，并根据所述多路状态互锁单元输出的互锁电平信号控制固态开关的通断。
在一些实施例中，所述环境信号采集及处理单元包括：脉冲电压信号采集及处理单元、温度信号采集及处理单元、脉冲电流信号采集及处理单元以及漏液信号采集及处理单元中的一种或几种。
在一些实施例中，所述脉冲电压信号采集及处理单元包括：
脉冲电压信号采集电路，用于采集所述固态开关的脉冲电压；
第一比较电路，连接至所述脉冲电压信号采集电路，输出电压状态监测信号，所述第一比较电路包括：
脉冲电压过高比较电路，用于将所述脉冲电压与预定的上限值进行比较；和/或
脉冲电压过低比较电路，用于将所述脉冲电压与预定的下限值进行比较；和/或
脉冲电压反压过高比较电路，用于将所述脉冲电压的反压与预定的上限值进行比较。
在一些实施例中，所述脉冲电压信号采集电路与所述第一比较电路之间还依次连接分压电路及电压跟随器。
在一些实施例中，所述脉冲电压过低比较电路为脉冲使能比较电路，当接收到TTL脉冲触发信号时，所述脉冲电压过低比较电路工作。
在一些实施例中，所述多路状态互锁单元包括：
信号互锁电路，用于接收及锁存所述脉冲电压信号采集及处理单元输出的电压状态监测信号，并输出互锁电平信号和状态上传信号；
硬件上电复位电路，连接至所述信号互锁电路，用于在系统上电时产生窄脉冲沿，将所述信号互锁电路复位初始化，和/或
软件触发复位电路，连接至所述信号互锁电路，用于在系统工作时，接收MCU复位信号，控制所述信号互锁电路复位。
在一些实施例中，所述MCU主控单元包括：
光耦隔离电路，连接至所述多路状态互锁单元的输出端；
MCU主控芯片，连接至所述光耦隔离电路，对所述状态上传信号进行处理；
隔离收发电路，连接至所述MCU主控芯片，用于与上位机的通信。
在一些实施例中，所述MCU主控芯片将接收的信号转换为CANBUS信号输出至上位机。
在一些实施例中，所述温度信号采集及处理单元用于采集高压脉冲电源的多路温度状态，经第二比较电路，输出温度状态监测信号。
在一些实施例中，所述第二比较电路包括：磁芯过温比较电路、机壳过温比较电路、水冷板过温比较电路及主控板过温比较电路中的至少一种。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过监测准分子激光器高压脉冲电源固态开关的电压，实现固态开关产生的初级脉冲高压信号的稳定输出，从而保证激光器高压脉冲电源高重频稳定放电，形成微秒级窄脉冲；
(2)能够实时采集准分子激光器高压脉冲电源的温度状态信号，进行状态监测，防止器件过热造成高压脉冲电源不稳定运行；
(3)具备可靠的输出逻辑互锁机制，拥有软件和硬件双重复位功能，保证准分子激光器固态开关高重频稳定可靠运行。
附图说明
图1是本公开实施例用于准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统的结构示意图。
图2为本公开实施例多路状态互锁单元结构示意图。
图3为又一实例的准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统的结构示意图。
图4为本公开实施例脉冲电压信号采集及处理单元结构示意图。
图5为本公开实施例温度信号采集及处理单元结构示意图。
图6为本公开实施例MCU主控单元结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10、脉冲触发输出单元；20、环境信号采集单元；30、多路状态互锁单元；40、MCU主控单元；210、脉冲电压信号采集及处理单元；211、脉冲电压信号采集电路；212、脉冲电压过高比较电路；213、脉冲电压过低比较电路；214、脉冲电压反压过高比较电路；220、温度信号采集及处理单元；221、磁芯过温比较电路；222、机壳过温比较电路；223、水冷板过温比较电路；224、及主控板过温比较电路；230、脉冲电流信号采集及单元；240、漏液信号采集及单元；301、硬件上电复位电路；302、信号互锁电路；303、软件触发复位电路；401、光耦隔离电路；402、MCU主控芯片；403、隔离收发电路。
具体实施方式
本公开提供了一种用于准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统，能够精确控制并监测激光器每次触发出光时的电源状态，出现异常时立刻互锁输出，产生报警信号，并将监测状态上传至上位机，以此来保护激光器高压脉冲电源可靠运行。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统。
图1是本公开实施例用于准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统的结构示意图。如图1所示，本实施例高压脉冲电源的固态开关控制及状态监测系统包括脉冲触发输出单元10，环境信号采集及处理单元20，多路状态互锁单元30和MCU主控单元40。
该系统通过环境信号采集及处理单元20监测激光器的工作环境状态，在监测到任一或多路状态异常时，多路状态互锁单元30立刻互锁输出，并上传至上位机，互锁电平信号发送至脉冲触发输出单元10，控制固态开关的通断，以此来保护激光器高压脉冲电源可靠运行。
图2为本公开实施例多路状态互锁单元30结构示意图。如图2所示，所述多路互锁单元30包括信号互锁电路302，硬件上电复位电路301以及软件触发复位电路303。信号互锁电路302接收环境信号采集及处理单元80的状态监测信号，这些信号可以将比较器输出的TTL边沿触发信号转换为高低电平信号，并分为两路进行输出，其中一路形成互锁电平信号传输至脉冲触发输出单元10，另一路形成状态上传信号传输至MCU主控单元40进行状态监测。
硬件上电复位电路301可在系统上电时产生窄脉冲沿，将信号互锁电路复位初始化，和/或软件触发复位电路302可在系统工作时，接收MCU复位信号，控制信号互锁电路302复位。
环境信号采集及处理单元20的状态监测信号可以为脉冲电压信号采集及处理单元210采集的电压状态信号，温度信号采集及处理单元220采集的温度状态信号，脉冲电流信号采集及单元230采集的电流状态信号；漏液信号采集及单元240采集的液体状态信号中的一种或几种。
图3为又一实例的准分子激光器高压脉冲电源固态开关控制及状态监测系统的结构示意图。如图3所示，环境信号采集及处理单元20可以包括脉冲电压信号采集及处理单元210、温度信号采集及处理220单元、脉冲电流信号采集及处理单元230、漏液信号采集及处理单元240。以下以脉冲电压信号采集及处理单元、温度信号采集及处理单元为例进行说明。
图4为本公开实施例脉冲电压信号采集及处理单元结构示意图。其中，脉冲电压信号采集及处理单元210用于采集固态开关的高精度脉冲电压信号VC0，经第一比较电路，形成脉冲电压状态监测信号。其中，所述第一比较电路为多路比较电路，用于对脉冲电压信号VC0进行过压、欠压及反相过压进行比较。
具体地，脉冲高压经过高精度低温漂的电路，进入电压跟随器，隔离跟随后通过多路比较器过压比较，欠压比较以及反相过压比较，形成多路电压状态监测信号。如图4所述，所述脉冲电压信号采集及处理单元210包括高精度的脉冲电压信号采集电路211，脉冲电压过高比较电路212，脉冲电压过低比较电路213以及脉冲电压反压过高比较电路214。
其中，脉冲电压过低比较电路213为脉冲使能比较电路，当脉冲触发输出单元210接收到TTL窄脉冲触发信号时，脉冲电压过低比较电路213工作。
通过脉冲电压信号采集及处理单元210监测准分子激光器高压脉冲电源固态开关产生的初级脉冲高压信号，能够避免出现初级脉冲高压信号过高而导致固态开关内器件损坏，及固态开关稳定性差的问题；或初级脉冲高压信号过低而导致高压脉冲电源电压不够，激光器放电腔不完全击穿，最终导致激光器出光能量过低的问题。
由于高压脉冲电源的电压过压或欠压可能为瞬间高压或低压，因此需要通过多路状态互锁单元30锁存各路状态信号，将TTL脉冲边沿信号转换为高低电平信号，从而实现各路信号的监测。
图5为本公开实施例温度信号采集及处理单元结构示意图。温度信号采集及处理单元220用于高压脉冲电源的多路温度状态采集，经比较电路，形成温度状态监测信号。如图5所示，所述温度信号采集及处理单元220采集高压脉冲电源的多路温度状态，并由第二比较电路对各路采集信号进行比较，所述第二比较电路包括磁芯过温比较电路221，机壳过温比较电路222，水冷板过温比较电路223以及主控板过温比较电路224，分别对采集的磁芯温度、机壳温度、水冷板温度及主控板温度进行过温比较。各路温度信号由不同监测点的NTC热敏电阻采集转换为电压信号，分别经过温比较电路形成多路温度状态监测信号。
通过设置温度信号采集及处理单元220，对高压脉冲电源的温度进行状态监测，并与主控单元40及多路状态互锁单元30的信号传输与交互，可以避免高压脉冲电源由于过热产生的不稳定运行。
在其他实施例中，环境信号采集及处理单元20还可以包括脉冲电流信号采集及处理单元230或漏液信号采集及处理单元240，其中，脉冲电流信号采集及处理单元230用于生成初级脉冲电流监测信号；漏液信号采集及处理单元240用于生成高压脉冲电源漏液监测信号。
脉冲电流信号采集及单元230、漏液信号采集及单元240信号采集及处理与上述脉冲电压信号采集及处理单元210和温度信号采集及处理单元220与主控单元40及多路状态互锁单元30的信号传输与交互相同，此处不再赘述。
MCU主控单元40用于接收并处理状态上传信号，并与上位机进行通信，将状态信号上传，同时接收上位机指令集。
图6为本公开实施例MCU主控单元结构示意图。如图6所示，所述MCU主控单元40包括光耦隔离电路401，MCU主控芯片402，隔离收发电路403。
本实施例中，多路互锁单元30输出的状态上传信号通过光耦隔离电路401传入MCU主控芯片402，MCU主控芯片402将信号进行处理，转换为CANBUS信号通过隔离收发电路403输出至上位机，同时主控芯片402可以接收上位机多模式状态监测切换指令以及软件复位指令，并通过光耦隔离电路401将软件复位指令传输至多路互锁单元30。可以理解的是，本实施例中，采用CANBUS总线实现MCU主控单元与上位机的连接，在其他实施例中，还可以采用其他总线进行传输。
本公开通过监测准分子激光器高压脉冲电源固态开关的电压，实时采集准分子激光器高压脉冲电源的温度状态信号，进行状态监测，实现固态开关产生的初级脉冲高压信号的稳定输出，从而保证激光器高压脉冲电源高重频稳定放电，形成微秒级窄脉冲；高并够防止器件过热造成高压脉冲电源不稳定运行。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，包括：
环境信号采集及处理单元(20)，用于采集所述准分子激光器的工作环境信号，并形成环境状态监测信号；
多路状态互锁单元(30)，连接至所述环境信号采集及处理单元(20)，用于锁存所述环境状态监测信号，并输出互锁电平信号及状态上传信号；以及
MCU主控单元(40)，连接至所述多路状态互锁单元(30)，用于接收并处理所述状态上传信号；
脉冲触发输出单元(10)，连接至所述多路状态互锁单元(30)，用于接收高压脉冲电源固态开关的前级触发脉冲信号，并根据所述多路状态互锁单元(30)输出的互锁电平信号控制固态开关的通断。
2.根据权利要求1所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述环境信号采集及处理单元(20)包括：脉冲电压信号采集及处理单元(210)、温度信号采集及处理单元(220)、脉冲电流信号采集及处理单元(230)以及漏液信号采集及处理单元(240)中的一种或几种。
3.根据权利要2所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述脉冲电压信号采集及处理单元(210)包括：
脉冲电压信号采集电路(211)，用于采集所述固态开关的脉冲电压；
第一比较电路，连接至所述脉冲电压信号采集电路，输出电压状态监测信号，所述第一比较电路包括：
脉冲电压过高比较电路(212)，用于将所述脉冲电压与预定的上限值进行比较；和/或
脉冲电压过低比较电路(213)，用于将所述脉冲电压与预定的下限值进行比较；和/或
脉冲电压反压过高比较电路(214)，用于将所述脉冲电压的反压与预定的上限值进行比较。
4.根据权利要求3所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述脉冲电压信号采集电路(211)与所述第一比较电路之间还依次连接分压电路及电压跟随器。
5.根据权利要求3或4所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，脉冲电压过低比较电路(213)为脉冲使能比较电路，当接收到TTL脉冲触发信号时，所述脉冲电压过低比较电路(213)工作。
6.根据权利要求1所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述多路状态互锁单元(30)包括：
信号互锁电路(302)，用于接收及锁存所述脉冲电压信号采集及处理单元输出的电压状态监测信号，并输出互锁电平信号和状态上传信号；
硬件上电复位电路(301)，连接至所述信号互锁电路(302)，用于在系统上电时产生窄脉冲沿，将所述信号互锁电路复位初始化，和/或
软件触发复位电路(303)，连接至所述信号互锁电路(302)，用于在系统工作时，接收MCU复位信号，控制所述信号互锁电路(302)复位。
7.根据权利要求1所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述MCU主控单元(40)包括：
光耦隔离电路(401)，连接至所述多路状态互锁单元(30)的输出端；
MCU主控芯片(402)，连接至所述光耦隔离电路(401)，对所述状态上传信号进行处理；
隔离收发电路(403)，连接至所述MCU主控芯片(402)，用于与上位机的通信。
8.根据权利要求7所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述MCU主控芯片(40)将接收的信号转换为CANBUS信号输出至上位机。
9.根据权利要求1所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述温度信号采集及处理单元(220)用于采集高压脉冲电源的多路温度状态，经第二比较电路，输出温度状态监测信号。
10.根据权利要求9所述的准分子激光器高压脉冲电源固态开关的控制及监测系统，其特征在于，所述第二比较电路包括：磁芯过温比较电路(221)、机壳过温比较电路(222)、水冷板过温比较电路(223)及主控板过温比较电路(224)中的至少一种。
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