全橋型IGBT脈沖激光電源

摘要：文章介紹高壓氙燈設(shè)計(jì)的IGBT脈沖式激光電源，詳細(xì)闡述了工作原理、設(shè)計(jì)方法和仿真過程，并給出實(shí)驗(yàn)波形。其主電路采用全橋PWM工作方式，該電源具有很高的可靠性和良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。

關(guān)鍵詞：脈沖激光電源PWM

Full－ bridge IGBT Pulsatile Laser Power Supply

Abstract:The paper introduces the IGBT pulsatile laser power supply designed for high voltage Xenon lamps,and describes its operation principle,designition and simulation.Experimental results are given.Its main circuit operates at full－ bridge PWM mode.This power supply has the advantages of high reliability and excellent dynamic regulation performance.

Keyword: Pulse Laser Power Supply PWM

1引言

近年來(lái)，高功率Nd：YAG固體激光器已廣泛用于工業(yè)加工領(lǐng)域和醫(yī)療儀器領(lǐng)域，如材料加工、激光測(cè)距、激光打標(biāo)、激光醫(yī)療、激光核聚變等。與氣體激光器或其他激光器（如化學(xué)激光器，自由電子激光器等）相比，固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行方式多樣，可在脈沖、連續(xù)、調(diào)Q及鎖模下運(yùn)行。

2原理框圖

本文介紹的激光電源為工作于重復(fù)脈沖方式的固體激光器提供電能。該激光器采用氙燈作泵浦光源，在惰性氣體燈中，氙氣的總轉(zhuǎn)換效率最高。激光器用于激光打標(biāo)，工作頻率每秒60次。電源系統(tǒng)采用IGBT管全橋逆變方式，工作頻率為20kHz，控制電路采用PWM方式。

圖1原理框圖

圖1示出電源原理框圖，整個(gè)電路可分為主電路（電力變換電路）和控制電路兩大部分。來(lái)自電網(wǎng)的380V交流電壓經(jīng)整流濾波后得到約520V左右的直流電壓，加到橋式逆變器上。逆變器主功率開關(guān)采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM電路產(chǎn)生一對(duì)相位互差180°的脈沖電壓控制逆變橋的四個(gè)功率管，將直流電壓變換為高頻方波電壓，再經(jīng)高頻高壓整流橋得到高壓直流（約1400V），向儲(chǔ)能電容Co充電。電容Co上電壓充到預(yù)定值（1000V）后，控制電路發(fā)出信號(hào)，將放電晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，Co上電壓快速向負(fù)載氙燈釋放，激光器正常工作。

預(yù)燃觸發(fā)電路針對(duì)負(fù)載氙燈特性而設(shè)，該型激光器要求先通入近兩萬(wàn)伏的高壓脈沖，將其內(nèi)部擊穿，再維持較低的連續(xù)電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續(xù)放電狀態(tài)下正常工作。因此，電源的工作步驟應(yīng)是：開機(jī)——預(yù)燃觸發(fā)——電容放電。

3工作原理及仿真波形

圖2示出電源主電路，V1—V4組成橋式逆變器，兩端并聯(lián)RCD吸收支路，L為限流電感，Co為儲(chǔ)能電容，Lo用于限制Co對(duì)負(fù)載氙燈的放電電流，保護(hù)氙燈。

圖2主電路圖

與文獻(xiàn)1中介紹的激光電源不同，此處將限流電感L放在變壓器原邊。這除了能實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開通外，例如在V1，V4關(guān)斷后，由于L的續(xù)流作用，D2，D3導(dǎo)通，則V2，V3可實(shí)現(xiàn)零電壓開通;還可分擔(dān)變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數(shù)，進(jìn)而減小變壓器磁心。

圖3為利用PSPICE軟件對(duì)圖2仿真的結(jié)果。圖中上部為變壓器原邊繞組電流i1，下部為輸出電壓Uo。

圖3仿真波形

　　仿真參數(shù)：開關(guān)頻率f=20kHz，

　　死區(qū)時(shí)間t=2μs，

　　L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60

　　C0=100μF。

4設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　電源系統(tǒng)中，電感L與高頻變壓器T的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。從圖2看出，逆變電路的負(fù)載只有電感L及變壓器T的原邊，當(dāng)功率管導(dǎo)通，直流電壓Ui加于圖4所示位置時(shí)，電感上電壓為Ui－UT1，則變壓器原邊電流i1=(Ui－UT1)t/L

圖4計(jì)算電路

式中，UT1為輸出電壓Uo（高壓整流橋?qū)〞r(shí)就是UT2）折算到變壓器原邊的值，UT1=U0/n，n為變壓器副、原邊匝比，又△Uo=（1/C0）,

　　i2=i1/n

考慮到輸出電壓在逐步上升，而電流i1的幅值在不斷下降，計(jì)算過程應(yīng)該是一個(gè)迭代過程。

i1（m）=[Ui－U0（m－1）/n]t/L

U0(m)=U0(m－1)＋△U0（m）=U0(m－1)＋（1/C0）（i1(m）/n）dt

=U0(m－1)＋Uit2/2CLn－U0(m－1)t2/2CLn2

其中,t為半個(gè)周期,開關(guān)頻率f為20kHz時(shí),t=25μs；C0=100μF；L為限流電感電感量。

　　根據(jù)負(fù)載特性，最大工作頻率為60Hz，即儲(chǔ)能電容在1秒鐘內(nèi)放電60次，周期為16.7ms。考慮放電時(shí)間，則充電時(shí)間最多只有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

用MATLAB對(duì)上式進(jìn)行計(jì)算，并繪出不同的L值、不同的n值、不同的直流電壓Ui（Ui有一允許變化范圍）情況下，電容電壓U0的上升曲線。從中選取最佳方案，最終確定參數(shù)如下：

L=100μH

　　n=N2：N1=60：24

圖5中，橫坐標(biāo)表示變壓器副邊繞組匝數(shù)N2，縱坐標(biāo)表示輸出電壓U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60時(shí)，輸出電壓U0為峰值。

圖5MATLAB計(jì)算最佳變比

5試驗(yàn)結(jié)果

圖6為實(shí)測(cè)波形，（b）圖示出（a）圖的前幾個(gè)周期。圖中上部是變壓器原邊電源i1波形，下部是儲(chǔ)能電容U0的電壓波形，與圖3仿真波形對(duì)應(yīng)。由圖中看出，i1為零后，U0并未立刻下降，而是保持一段時(shí)間，這是因?yàn)槌浞烹姇r(shí)間固定的緣故，當(dāng)U0達(dá)到預(yù)定值后保持至充電時(shí)間終了。

圖6實(shí)驗(yàn)波形