全橋型IGBT脈沖激光電源

摘要：文章介紹高壓氙燈設計的IGBT脈沖式激光電源，詳細闡述了工作原理、設計方法和仿真過程，并給出實驗波形。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態調節性能。

關鍵詞：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，高功率Nd：YAG固體激光器已廣泛用于工業加工領域和醫療儀器領域，如材料加工、激光測距、激光打標、激光醫療、激光核聚變等。與氣體激光器或其他激光器（如化學激光器，自由電子激光器等）相比，固體激光器具有結構緊湊、牢固耐用等優點，其運行方式多樣，可在脈沖、連續、調Q及鎖模下運行。

2原理框圖

本文介紹的激光電源為工作于重復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，氙氣的總轉換效率最高。激光器用于激光打標，工作頻率每秒60次。電源系統采用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，整個電路可分為主電路（電力變換電路）和控制電路兩大部分。來自電網的380V交流電壓經整流濾波后得到約520V左右的直流電壓，加到橋式逆變器上。逆變器主功率開關采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM電路產生一對相位互差180°的脈沖電壓控制逆變橋的四個功率管，將直流電壓變換為高頻方波電壓，再經高頻高壓整流橋得到高壓直流（約1400V），向儲能電容Co充電。電容Co上電壓充到預定值（1000V）后，控制電路發出信號，將放電晶閘管觸發導通，Co上電壓快速向負載氙燈釋放，激光器正常工作。

預燃觸發電路針對負載氙燈特性而設，該型激光器要求先通入近兩萬伏的高壓脈沖，將其內部擊穿，再維持較低的連續電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續放電狀態下正常工作。因此，電源的工作步驟應是：開機——預燃觸發——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RCD吸收支路，L為限流電感，Co為儲能電容，Lo用于限制Co對負載氙燈的放電電流，保護氙燈。

圖2主電路圖

與文獻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。這除了能實現功率管的零電壓開通外，例如在V1，V4關斷后，由于L的續流作用，D2，D3導通，則V2，V3可實現零電壓開通;還可分擔變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數，進而減小變壓器磁心。

圖3為利用PSPICE軟件對圖2仿真的結果。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：開關頻率f=20kHz，

　　死區時間t=2μs，

　　L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60

　　C0=100μF。

4設計要點

　　電源系統中，電感L與高頻變壓器T的設計是關鍵。從圖2看出，逆變電路的負載只有電感L及變壓器T的原邊，當功率管導通，直流電壓Ui加于圖4所示位置時，電感上電壓為Ui－UT1，則變壓器原邊電流i1=(Ui－UT1)t/L

圖4計算電路

式中，UT1為輸出電壓Uo（高壓整流橋導通時就是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，計算過程應該是一個迭代過程。

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為半個周期,開關頻率f為20kHz時,t=25μs；C0=100μF；L為限流電感電感量。

　　根據負載特性，最大工作頻率為60Hz，即儲能電容在1秒鐘內放電60次，周期為16.7ms。考慮放電時間，則充電時間最多只有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

用MATLAB對上式進行計算，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，最終確定參數如下：

L=100μH

　　n=N2：N1=60：24

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

圖5MATLAB計算最佳變比

5試驗結果

圖6為實測波形，（b）圖示出（a）圖的前幾個周期。圖中上部是變壓器原邊電源i1波形，下部是儲能電容U0的電壓波形，與圖3仿真波形對應。由圖中看出，i1為零后，U0并未立刻下降，而是保持一段時間，這是因為充放電時間固定的緣故，當U0達到預定值后保持至充電時間終了。

圖6實驗波形