技術分享：基于非線性脈沖激光電源的設計與研制

1 引言

傳統(tǒng)的脈沖激光電源雖然實現(xiàn)了非線性化，取代了老式的線性倍壓整流技術，使得整體的轉換效率、體積、重量及充放電時間等重要參數(shù)均有了較大的改善。另外，非線性激光電源可靠性的不斷提高和產品化，使得激光技術的應用又上了一個新的臺階。但是這種非線性激光電源仍然存在著工作頻率一直是在20kHz以下，不能進一步提高的缺點，這樣，就導致了傳統(tǒng)的非線性激光電源的轉換效率、體積、重量以及充放電時間等不能改善到理想的狀況。同時存在著令人十分煩噪的聲頻噪聲。為了解決這些問題，我們設計和研制成功了一種工作頻率在100kHz的非線性脈沖激光電源。

2 電路的組成

脈沖激光電源的原理方框圖如圖1所示。它由觸發(fā)電路、主變換器電路和高壓充放電電路等三大部分組成。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 脈 沖 激 光 電 源 電 路 原 理 圖3 電路的工作原理

3.1 觸發(fā)電路的工作原理

從圖2可以看出，觸發(fā)電路部分主要是由觸發(fā)指示電路和觸發(fā)電路組成，具體由IC1的LBI和LBO端，V1、LED、VD1以及K1和K2來完成，當變換器通過變壓器T1、二極管VD2和VD3向電容器充電時，取樣電路(由R10、R9、W1、W2、W3、R1組成)將其充電電壓值反饋給IC1的LBI與VFB端，一旦電壓充到所需的電壓值時(大約為1kV左右)，這時LBI端的電壓值將大于1.3V，LBO端就會變?yōu)楦唠娖剑琕1導通，LED變亮，指示出電壓已充到可以觸發(fā)的狀態(tài)。另外取樣電路將反饋信號還送入IC1的VFB端，若反饋信號的電壓值≥1.3V時，即刻關斷變換器，使高壓維持到所需的值上，觸發(fā)器件由高耐壓、大電流的汽車級的晶閘管BT151/800R來擔任。

3.2 主變換器的工作原理

主變換器電路主要是由IC1(MAX641/642/643)、變壓器T1以及V2等元器件組成的單端反激式升壓電路。其電路的核心部分為MAX641/642/643，這里只給出高頻自耦升壓變壓器的技術資料，以供同行們在制作時參考。鐵芯選用4kBEE型鐵氧體，骨架選用與鐵芯對應配套的EE19型立式骨架，其技術參數(shù)如圖3所示。

圖3 T1變 壓 器 的 技 術 參 數(shù)

3.3 充放電電路的工作原理

充放電電路主要是由電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12、C13、R14、升壓變壓器T2等組成。當電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12被充到所設定的高壓值時，電容C13中的電壓也同時被充到所要求的電壓值(300V左右)，這時閉合K1或K2，晶閘管V3被觸發(fā)導通，電容C13中所儲存的能量通過變壓器T2的初級繞組放電，使次級繞組感應出約10kV左右的高壓，將激光器中的氣體電離。在電離的同時，電容器C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中所儲存的能量將這個電離的過程維持到一定的時間，從而就得了所需的激光脈沖。4 重要元器件的選擇及技術要求

1)儲能電容由于儲能電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12要在很短的時間內為激光器提供足夠大的能量，所以在選擇該電容時，除了要求其具有足夠高的耐壓值(≥350V)以外，還必須要求其具有快速充電和放電的特性，即應選擇印有“PHOTOFLASH”的光閃電容。

2)升壓變壓器升壓變壓器除了其初級繞組供電容C13放電，以使次級電壓升高到10kV以上外，還要滿足當氣體被電離以后，通過次級繞組將電容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中的能量全部釋放給激光器，以便能夠激發(fā)出很強的激光束來。所以次級繞組既要匝數(shù)多，又要電阻很小，同時還要滿足耐高壓的要求。變壓器磁芯選擇環(huán)形3kB的鐵氧體材料，初級繞組選用1.0的聚四氟乙烯鍍銀高壓線繞制，次級繞組選用0.32的聚四氟乙烯鍍銀高壓線繞制，鐵芯磁環(huán)選用外徑35，內徑12，厚度10的軟磁鐵氧體。其技術參數(shù)如圖4所示。