淺析一種CO2 激光電源各組成部分電路結(jié)構(gòu)

1 概述

當(dāng)前CO2激光器及其雕刻機(jī)的應(yīng)用逐漸增多。盡管激光電源電路結(jié)構(gòu)形式繁多，使用元器件種類五花八門，但歸納起來也不外乎就是：開關(guān)電源、控制電路、保護(hù)電路與高壓包等環(huán)節(jié)的有機(jī)組合。由市電供電的激光電源最為常用，其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 CO2激光電源框圖

由圖1可以看到，該電源內(nèi)部由①到⑦的7個(gè)大功能環(huán)節(jié)相互關(guān)系。該7大功能環(huán)節(jié)的工作原理，在以下各節(jié)中予以闡述。

2 市電電源濾波器和整流電路

2.1 電源射頻濾波器

市電電源濾波器和整流電路如圖2所示。

為抑制激光電源運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的射頻傳導(dǎo)干擾，像通常的開關(guān)電源一樣，市電輸入端置入了電源濾波器L1和壓敏電阻RV1，以及濾波電容C1、C2。橋式整流電路之前，串入負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT1，以降低開機(jī)瞬間平波大容量電容C4和C5(參見圖3)中的大電流沖擊。降低開機(jī)瞬間的電流峰值，不僅可以減小熔斷器FU1的額定熔斷值，提升整體電路的安全可靠程度;也從源頭上大大減少了開機(jī)產(chǎn)生的瞬間干擾，這比被動(dòng)地強(qiáng)化射頻濾波更來得理智而有效。

2.2 高壓對(duì)地放電的保護(hù)

與普通開關(guān)電源相比，多出了激光電源輸出端開路時(shí)，50kV高壓對(duì)地放電的保護(hù)單元：放電管VDF、電阻R1和電容C3。當(dāng)電源輸入端的保護(hù)零線PE未接通，又恰逢激光電源輸出端未與激光管接通，并與地連接或?qū)Φ禺a(chǎn)生弧光放電時(shí)，放電管VDF承受高壓瞬間(1ns)即會(huì)迅速導(dǎo)通，高壓電經(jīng)整流橋N1負(fù)端p橋臂、熱敏電阻RT1和電源濾波器L1與電網(wǎng)中的零線N連通，從而使電源內(nèi)部所有與PE線連接的環(huán)節(jié)和器件，避免了50kV高壓的襲擊。

激光電源實(shí)際運(yùn)用中，由于種種不文明行為，輸入端的保護(hù)零線PE常常不與電網(wǎng)中的保護(hù)零線PE連接，倘若此時(shí)又適逢另一操作上的不文明行為——忘記將輸出高壓端與激光管連接好，開機(jī)時(shí)就會(huì)發(fā)生50kV高壓對(duì)地放電的現(xiàn)象，此時(shí)若是沒有VDF放電管的保護(hù)，就會(huì)發(fā)生毀機(jī)事故——激光電源內(nèi)的主電路和控制電路以及輔助電源都會(huì)發(fā)生擊穿，造成永久性破壞!

2.3 高壓端對(duì)地放電保護(hù)時(shí)間勿超2 min

盡管有了VDF的保護(hù)，但因VDF的放電時(shí)間僅能限制在(1∽2) min，超出這段時(shí)間，VDF就會(huì)因永久性損壞而喪失保護(hù)功能。所以，這種保護(hù)也僅僅是一種權(quán)宜之計(jì)，并非一勞永逸之舉。即使有了一勞永逸舉措，仍然需要信守兢兢業(yè)業(yè)和有條不紊的工作準(zhǔn)則。一旦哪次發(fā)現(xiàn)高壓對(duì)地放電，當(dāng)立即關(guān)機(jī)，糾正疏漏。

3 變換器主電路

3.1 半橋式DC/AC變換器

變換器主電路如圖3所示，采用的結(jié)構(gòu)形式為半橋式變換器，C4和C5串聯(lián)將DC300V(來自圖2輸出端)電壓一分為二，晶體管VT1和VT2串聯(lián)構(gòu)成“半橋”，二管連接點(diǎn)至C6之間即為輸出端。C6稱之為交流耦合(隔直)電容，增加穩(wěn)定工作可靠性。晶體管1個(gè)管導(dǎo)通時(shí)，另一管截止，承受供電直流電壓的全電壓(即300V)。但高壓包原邊繞組卻僅承受供電直流電壓的一半，即C4或C5上的電壓。半橋式DC/AC變換器適合輸出幾百VA的功率，經(jīng)濟(jì)性好。

3.2 高壓包

兩個(gè)高壓包T1和T2的原邊串聯(lián)后，連接在半橋式DC/AC變換器的輸出端，R2和C7構(gòu)成尖峰電壓吸收電路，盡可能地將尖峰電壓抑制到最低程度，避免晶體管集-射極間的電壓超限，最好留出余地，以確保工作過程中的穩(wěn)定可靠性能。二高壓包根據(jù)自身型號(hào)及規(guī)格，二原邊繞組也可采用并聯(lián)形式，副邊串聯(lián)以提高輸出電壓值。