全桥型IGBT脉冲激光电源

    南京航空航天大学 曾忠 詹晓东 （南京210016）

    摘要：文章介绍高压氙灯设计的IGBT脉冲式激光电源，详细阐述了工作原理、设计方法和仿真过程，并给出实验波形。其主电路采用全桥PWM工作方式，该电源具有很高的可靠性和良好的动态调节性能。

    关键词：脉冲激光电源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

    近年来，高功率Nd：YAG固体激光器已广泛用于工业加工领域和医疗仪器领域，如材料加工、激光测距、激光打标、激光医疗、激光核聚变等。与气体激光器或其他激光器（如化学激光器，自由电子激光器等）相比，固体激光器具有结构紧凑、牢固耐用等优点，其运行方式多样，可在脉冲、连续、调Q及锁模下运行。

    2原理框图

    本文介绍的激光电源为工作于重复脉冲方式的固体激光器提供电能。该激光器采用氙灯作泵浦光源，在惰性气体灯中，氙气的总转换效率最高。激光器用于激光打标，工作频率每秒60次。电源系统采用IGBT管全桥逆变方式，工作频率为20kHz，控制电路采用PWM方式。

    图1原理框图

    图1示出电源原理框图，整个电路可分为主电路（电力变换电路）和控制电路两大部分。来自电网的380V交流电压经整流滤波后得到约520V左右的直流电压，加到桥式逆变器上。逆变器主功率开关采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM电路产生一对相位互差180°的脉冲电压控制逆变桥的四个功率管，将直流电压变换为高频方波电压，再经高频高压整流桥得到高压直流（约1400V），向储能电容Co充电。电容Co上电压充到预定值（1000V）后，控制电路发出信号，将放电晶闸管触发导通，Co上电压快速向负载氙灯释放，激光器正常工作。

    预燃触发电路针对负载氙灯特性而设，该型激光器要求先通入近两万伏的高压脉冲，将其内部击穿，再维持较低的连续电流（约100～200mA），激光器才能在电容Co的断续放电状态下正常工作。因此，电源的工作步骤应是：开机——预燃触发——电容放电。

    3工作原理及仿真波形

    图2示出电源主电路，V1—V4组成桥式逆变器，两端并联RCD吸收支路，L为限流电感，Co为储能电容，Lo用于限制Co对负载氙灯的放电电流，保护氙灯。

    图2主电路图

    与文献1中介绍的激光电源不同，此处将限流电感L放在变压器原边。这除了能实现功率管的零电压开通外，例如在V1，V4关断后，由于L的续流作用，D2，D3导通，则V2，V3可实现零电压开通;还可分担变压器原边绕组上的压降，减少变压器匝数，进而减小变压器磁心。

    图3为利用PSPICE软件对图2仿真的结果。图中上部为变压器原边绕组电流i1，下部为输出电压Uo。

    图3仿真波形

     仿真参数：开关频率f=20kHz，

     死区时间t=2μs，

     L=100μH，变压器变比N1：N2=24：60

     C0=100μF。

    4设计要点

     电源系统中，电感L与高频变压器T的设计是关键。从图2看出，逆变电路的负载只有电感L及变压器T的原边，当功率管导通，直流电压Ui加于图4所示位置时，电感上电压为Ui－UT1，则变压器原边电流i1=(Ui－UT1)t/L

    图4计算电路

    式中，UT1为输出电压Uo（高压整流桥导通时就是UT2）折算到变压器原边的值，UT1=U0/n，n为变压器副、原边匝比，又△Uo=（1/C0）,

     i2=i1/n

    考虑到输出电压在逐步上升，而电流i1的幅值在不断下降，计算过程应该是一个迭代过程。

    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为半个周期,开关频率f为20kHz时,t=25μs；C0=100μF；L为限流电感电感量。

     根据负载特性，最大工作频率为60Hz，即储能电容在1秒钟内放电60次，周期为16.7ms。考虑放电时间，则充电时间最多只有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

    用MATLAB对上式进行计算，并绘出不同的L值、不同的n值、不同的直流电压Ui（Ui有一允许变化范围）情况下，电容电压U0的上升曲线。从中选取最佳方案，最终确定参数如下：

    L=100μH

     n=N2：N1=60：24

    图5中，横坐标表示变压器副边绕组匝数N2，纵坐标表示输出电压U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60时，输出电压U0为峰值。

    图5MATLAB计算最佳变比

    5试验结果

    图6为实测波形，（b）图示出（a）图的前几个周期。图中上部是变压器原边电源i1波形，下部是储能电容U0的电压波形，与图3仿真波形对应。由图中看出，i1为零后，U0并未立刻下降，而是保持一段时间，这是因为充放电时间固定的缘故，当U0达到预定值后保持至充电时间终了。

    图6实验波形

    参考文献

    1李适民等，激光器件原理与设计，国防工业出版社，1998，7

    2陈健人，放电电子束开关电源的设计，电力电子技术。1999，2，（33－35）

    3丁道宏，电力电子技术，航空工业出版社，1995，11

    作者简介

    曾忠1974年出生，硕士研究生，专业为电力电子技术。

    詹晓东1964年出生，硕士生导师，副教授，IEEE会员，电力电子技术专业。