隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。電子技術(shù)是根據(jù)電子學(xué)的原理，運(yùn)用電子器件設(shè)計(jì)和制造某種特定功能的電路以解決實(shí)際問題的科學(xué)，包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。信息電子技術(shù)包括 Analog （模擬） 電子技術(shù)和 Digital （數(shù)字） 電子技術(shù)。電子技術(shù)是對電子信號進(jìn)行處理的技術(shù)，處理的方式主要有：信號的發(fā)生、放大、濾波、轉(zhuǎn)換。

　　目前國內(nèi)開發(fā)的汞燈電源控制系統(tǒng)僅僅能夠提供恒流電源點(diǎn)亮汞燈的功能，或者有的系統(tǒng)能夠工作在近似恒功率狀態(tài)下，但這些都不能完全滿足目前超大面積光刻設(shè)備對電源控制系統(tǒng)的要求，如友好的人機(jī)交互、及時故障診斷、系統(tǒng)有效保護(hù)、燈室溫度控制、汞燈壽命控制、完全的恒功率恒光強(qiáng)控制、遠(yuǎn)程通信與控制等功能要求。為此，研究了用于i線光刻機(jī)大功率汞燈電源測控系統(tǒng)。這里主要論述了汞燈電源測控系統(tǒng)功能、組成及工作過程，模擬閉環(huán)控制輸出的高壓隔離以及模擬功率計(jì)算與負(fù)載線路補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)單元設(shè)計(jì)。

　　1 汞燈電源測控系統(tǒng)

　　1.1 主要功能

　　根據(jù)光源組件的實(shí)際工作情況和曝光系統(tǒng)控制需要，汞燈電源測控系統(tǒng)在汞燈啟動（預(yù)熱）、穩(wěn)定工作、待機(jī)、停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換過程中，對其電壓、電流、功率、工作時間和燈室溫度（或汞燈陽極溫度）進(jìn)行監(jiān)控、顯示及安全保護(hù)。同時該測控系統(tǒng)還具有故障診斷、系統(tǒng)重要參數(shù)設(shè)置、保存及定時曝光等功能。該測控系統(tǒng)通過程序控制可在其控制面板顯示、設(shè)置并自動保存電壓、電流、功率、汞燈總工作時間、燈室溫度、當(dāng)前快門曝光時間（倒計(jì)數(shù)）的運(yùn)行值以及汞燈電源測控系統(tǒng)狀態(tài)的顯示切換。

　　1.2 結(jié)構(gòu)組成與工作過程

　　汞燈mercury lamp利用汞放電時產(chǎn)生汞蒸氣獲得可見光的電光源。汞燈可分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈三種。低壓汞燈點(diǎn)燃時汞蒸氣壓小于一個大氣壓，此時汞原子主要輻射波長為253.7nm的紫外線。常用的“日光燈”燈管內(nèi)壁涂以鹵磷酸鈣熒光粉，再將紫外線轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽?。?jié)能型熒光燈內(nèi)壁涂有稀土熒光粉，發(fā)光效率更高。利用汞放電時產(chǎn)生汞蒸氣獲得可見光的電光源。汞燈可分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈三種。

　　汞燈電源測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其工作過程為：啟動由三相380 V交流電源供電的4 500 W恒流汞燈電源后，開始汞燈未工作，為開路狀態(tài)，汞燈電源的輔助次高壓電源對輸出電容充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到汞燈觸發(fā)模塊的啟動電壓后，觸發(fā)器輸出具有一定脈寬的高頻電壓（峰值大于20 kV）觸發(fā)汞燈，同時汞燈電源輸出低壓大電流，汞燈點(diǎn)亮進(jìn)入啟動預(yù)熱狀態(tài)。汞燈電源的輔助次高壓電源在開機(jī)后延時一段時間將自動切斷，同時汞燈點(diǎn)亮后，其兩端電壓急劇下降到十多伏，這樣就避免了觸發(fā)器在汞燈導(dǎo)通后繼續(xù)工作輸出高壓而造成汞燈或電源的損壞。為避免汞燈從高壓觸發(fā)到低壓大電流點(diǎn)亮過程中的強(qiáng)電磁干擾對電壓電流檢測的影響而引起系統(tǒng)過流、過壓、過功率保護(hù)等誤動作以及閉環(huán)控制的不穩(wěn)定，控制器在汞燈點(diǎn)亮過程中輸出固定電平使汞燈電源工作于固定電壓控制的恒流工作狀態(tài)，通過磁平衡霍爾電流傳感器檢測到汞燈電流大于某值可認(rèn)為汞燈點(diǎn)亮，若在一段時間后且電源電壓已能使汞燈觸發(fā)器工作，仍未檢測到汞燈點(diǎn)亮，即認(rèn)為汞燈未接、開路、損壞或觸發(fā)器損壞，為保護(hù)整個系統(tǒng)，切斷電源（OFF）并指示錯誤狀態(tài)。

　　2 汞燈電源測控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電流／光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號的器件。

　　為保證汞燈電源的電流、功率或光強(qiáng)的長期穩(wěn)定性，需要對電源進(jìn)行隔離控制。電源接收模擬控制電壓輸入以改變輸出電流，測控系統(tǒng)經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的模擬量輸出通道執(zhí)行來自數(shù)字控制系統(tǒng)的D／A轉(zhuǎn)換器輸出，同時為隔離數(shù)字控制系統(tǒng)弱電部分與汞燈開關(guān)電源強(qiáng)電系統(tǒng)，以避免地線環(huán)流和強(qiáng)電對弱電造成干擾或破壞，本系統(tǒng)采用高線性光耦HCNR200構(gòu)成模擬信號高電壓隔離放大器輸出控制信號，如圖2所示。

　　光電二極管信號經(jīng)模擬光耦HCNR200進(jìn)行線性隔離，經(jīng)LF412進(jìn)行電壓放大，經(jīng)共模濾波輸出控制電壓，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。其中，HCNR200高線性模擬光耦包含一個高性能的LED，該LED光耦合到兩個密切配合的光電二極管。輸入光電二極管可用于監(jiān)測，并借此穩(wěn)定LED的光輸出。因此，LED的非線性和漂移特性幾乎可被完全消除，具有高線性和穩(wěn)定增益特性。LF412運(yùn)算放大器具有雙JFET輸入特性、內(nèi)部消除漂移電壓、低輸入偏置電流、低電壓噪聲高電壓增益。

　　2.2 模擬功率計(jì)算與負(fù)載線路補(bǔ)償

　　電壓、電流經(jīng)過信號調(diào)理，A／D轉(zhuǎn)換，MCU進(jìn)行乘法運(yùn)算得到汞燈電源輸出功率并與給定功率相比較進(jìn)行數(shù)字控制，可實(shí)現(xiàn)恒功率控制，但這種單純數(shù)字控制的辦法由于有較長的計(jì)算時間，特別是所用MCU處理速度較慢且任務(wù)繁重的情況下，無法有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，影響了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。實(shí)測表明，在恒電流工作模式下短期汞燈電源輸出電流穩(wěn)定度可達(dá)±O.05％，而在恒功率模式下僅有±O.5％，還差1個數(shù)量級。這盡管有電壓傳感器檢測比較低、汞燈放電性能限制造成的影響，但系統(tǒng)響應(yīng)速度也是一個不可忽視的因素。從已完成的光強(qiáng)模擬閉環(huán)反饋恒光強(qiáng)控制系統(tǒng)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看，模擬PID控制能有效改善系統(tǒng)光強(qiáng)穩(wěn)定性，由此可以使用模擬功率PID反饋控制提高系統(tǒng)恒功率控制性能，采用模擬乘法器來實(shí)現(xiàn)相關(guān)電路。則功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

　　根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)框圖可推導(dǎo)出：

　　對于同相放大器1：

　　取N=0，M=0，同相放大器變?yōu)殡妷焊S器，同時取Z2=0，

　　其中VOUT、IOUT分別為測得的汞燈電源輸出電壓、電流；PLAMP為汞燈實(shí)際工作功率。

　　對比VP和RLAMP可知，它們有相似的公式結(jié)構(gòu)，可用VP表示RLAMP。由于VV和VI從電壓電流信號調(diào)理電路輸出獲得電壓，對于電流，同前述假定100A轉(zhuǎn)換成2.5 V，即：

　　其中：KI=1／40。同樣對于電壓，同前述假定90 V轉(zhuǎn)換成3 V，即：

　　其中：KV=1／30。

　　假定對于汞燈功率PLAMP，1 000W轉(zhuǎn)換成1 V，即：

　　因VV和VI的有效值為5 V，根據(jù)乘法器使用說明取SF=5。并代入KI、KV和KP的值可得：

　　這說明1／KZ環(huán)節(jié)確實(shí)是比例衰減環(huán)節(jié)，可由VP的分壓器構(gòu)成，實(shí)際上各比例因子均可能有誤差，由KI、KV、KZ和SF求取KP進(jìn)行計(jì)算是必要的：

　　可見衰減比KZ減小后（也即基于VP的反饋信號增強(qiáng)），同樣VP值代表的功率變大了。

　　關(guān)于K的計(jì)算，由于實(shí)際上線路電阻RLOST非常小不易直接測量，需通過別的方式反映RLOST的大小，可實(shí)測電流為IOUT時線路的電壓降VLOST的值VLOST=VOUT-VLAMP，則有：

　　由于負(fù)載線路補(bǔ)償具有正反饋特性，所以寧可欠補(bǔ)償也不能過補(bǔ)償以免引起系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，通過上述示例計(jì)算，設(shè)計(jì)出參數(shù)確定的基于硬件乘法器的功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償電路硬件，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中由于電路中不可避免存在偏置電壓，需在適當(dāng)位置處分別加上調(diào)零電路。

　　在得到功率合成信號VP以后，類似光強(qiáng)模擬PID控制，構(gòu)造獨(dú)立功率模擬PID控制電路實(shí)現(xiàn)具有模擬PID功率控制內(nèi)環(huán)的恒功率控制系統(tǒng)。相應(yīng)的需對圖3控制電路作相應(yīng)的改變，即改成電流／功率／光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動電路。

　　3 結(jié)論

　　該汞燈電源測控系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用到西部之光計(jì)劃項(xiàng)目“用于平板顯示器制造的反射式大面積照明系統(tǒng)研制”上，經(jīng)過近一年運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、有效，恒電流控制穩(wěn)定性達(dá)±0.05％，恒功率控制穩(wěn)定性達(dá)±0.5％。該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是：采用模擬PID控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了恒電流、恒光強(qiáng)、恒功率控制，能使汞燈安全、穩(wěn)定工作，發(fā)揮光電性能；采用模擬閉環(huán)控制輸出的高壓隔離、模擬乘法器計(jì)算功率信號并進(jìn)行負(fù)載線路功率損耗補(bǔ)償?shù)膶?shí)時功率計(jì)算的方法、并使用模擬控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式有效提高了功率控制的穩(wěn)定性。