（光学专业论文）固体热容激光器电源研究.pdf

摘要 出于固体热容激光嚣要求大能量法入和大量输出，所以就必须有 相应的激光电源提供大能量和高功率的注入。针对固体热容激光器的要 求，本文设计并研制出一种串联谐振技术的固体热容激光器电源系统。 本文深入分析了潮体热容激光器电源的工作原理，论证了电源的各 个主要环节的可行性方案。分析了脉冲氖灯的工作特性，逆变器理论分 丰斥，预燃电路电路分柝，充电电籍分孝厅数及控割电路豹分析，设计了采 用i g b t 作为功率器件的强电电路以及其控制电路和驱动电路。 额制蠢的霾体热容激光器电源的技本指标为：健熊电容器容量为 2 0 0uf ，充电电压为3 0 0 1 4 2 0 v 可调，重复频率为2 0 h z ，脉冲宽度为 5 0 0 # s ，整机输出功率达到4 0 0 0 w 。电源整机在实际工作和运行中稳定 可靠，达到了预定的技术指标，也满足了固体热容激光器大能量与高功 率注入的要求。 关键词：脉冲氙灯串联谐振i g b t a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yt oh a v eal a s e rp o w e rs u p p l y 、析t l lh i g he n e r g ya n dh i g h p o w e ro u t p u tf o rt h es o l i ds t a t eh e a tc a p a c i t yl a s e r , a c c o r d i n gt ot h en a t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fs o l i ds t a t eh e a tc p a c i t yl a s e rt h a tr e q u i r eh i g he n e r g yi n p u t a n dh i g he n e r g yo u t p u t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs o l i ds t a t eh e a t c a p a c i t yl a s e r ，t h e l a s e rp o w e rs u p p l yb a s e do nt h es e r i e sr e s o n a n c e t e c h n i q u ei sd e v e l o p e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el a s e rp o w e rs u p p l yh a sb e e na n a l y z e di n d e t a i li nt h ep a p e r t h ef e a s i b i l i t yo fe a c hk e yl i n ko ft h ep o w e rs u p p l yh a s b e e nd e m o n s t r a t e d t h ea n a l y s i so fo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp u l s el a m p ， c o n v e r t e rt h e o r y , s i m m e rc i r c u i t ，c h a f i n gc i r u c u i ta n dc o n t r o lc i u r c u i th a s b e e nd o n e t h ed e s i g no fl a s e rp o w e rs u p p l yi n c l u d eu s i n gi g b ta st h e p o w e rs w i t c h ，t h ed r i v e ro fl g b t a n dc o n t r o lc i r c u i t t h et e c h n i c a lt a r g e t so ft h eh e a tc a p a c i t yl a s e rp o w e rs u p p l ya r e ：t h e c a p a c i t yo ft h ec a p a c i t o rm e m o r yi s2 0 0 “f ，t h ec h a r g i n gv o l t a g ec a nb e a d j u s t e df r o m3 0 0 vt o1 4 2 0 v t h ep u l s ew i d ei s 5 0 0 “s t h em a x i m u m o u t p u tp o w e ro ft h ep o w e rs u p p l yi s4 k w t h ef r e q u e n c yo f t h ed i s c h a r g ei s 2 0 h z t h ew h o l ep o w e rs u p p l ys y s t e mi ss t a b l ea n dc r e d i b l ed u r i n g o p e r a t i o na n di t r e a c h e st h es c h e d u l e dt e c h n i c a lt a r g e t sa n dm e e t st h e d e m a n do fh e a tc a p a c i t yl a s e r k e yw o r d s ：p u is e dx e n o r lla m ps e tie sr e s o n a n c e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，固体热容激光器电源研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者签名：塾丑年立趟日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：m 3 _ j 弘_ 3 _ b 指导导师签名：雾跹占壁 年土月堑日 1 1脉冲激光电源的发展简史 目前，激光技术的发展非常迅速，已广泛应用于科学研究、工农业、 军事及医疗等许多领域。激光器电源是整个装置的重要组成部分。其性 能好坏直接影响整个装置的技术指标。从这个意义上来说，电源的研制 是一个非常值得重视的问题。 激光电源的负载多为氤灯，为了点燃脉冲氙灯，必须具有氤灯的触 发电路、储能电容器的充电电路、以及储能器的放电电路，从而组成一 个完整的氙灯电源电路。 最初出现的固体激光器电源采用直流电源经限流电阻r 给储能电 容器c 充电，即r c 充电方式。这样构成的电源只能在低重复频率下以 及要求电源的充电效率不高的场合使用，而且体积庞大，随着新型激光 装置的不断出现，对激光器电源提出了高效率、高重复频率、高可靠性 和低成本等诸多要求。为了满足在低频大能量工作下的激光装置，从而 研制出了l c 恒流充电电路。其特点是以恒定电流给储能电容器充电， 既提高了充电效率又提高了电源的稳定性，并且电路结构简单。为了满 足高重复频率的激光器装置，研制出直流l c 谐振充电式电源。它有效 地解决了激光器电源在高频下工作的充电效率问题，并克服了脉冲氙灯 的连弧现象。存在的主要问题是体积和重量不能明显减小，但这种类型 的电源仍然广泛使用。 为了进一步减小体积和重量并提高充电精度，人们又把开关电源技 术引入激光器电源中。8 0 年代初出现了快速晶闸管作电子开关的逆变器 充电电路，它的出现解决了电源存在的体积和重量问题。但是，晶闸管 的工作频率限制在2 0 k h z 以下，并且控制电路比较复杂。随着电子学技 术的不断进步及制造工艺的不断完善，出现了自行关断的功率场效应晶 体管( v m o s ) 和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。尤其是i g b t 兼有v m o s 和大功率晶体管的优点，具有高速度、高可靠性、低功耗等特点，被逐 步应用于大功率开关型电源中。8 0 年代后期出现的1 g b t 大功率逆变电 源，使激光器电源向高效率高可靠性方面前进一大步，基本上满足了不 同使用者的要求。 激光器电源中的放电电路直接影响激光器的转换效率，因此人们不 断的研究改进放电电路，使其更好的与放电器件的电学参数匹配。放电 电路已从最初的电容放电发展成单节l c 放电和多节l c 放电方式，并从 理论上解决了放电电路最佳参数的设计问题。在放电电路中引入预燃电 路，不仅能提高电光转换效率，而且能有效的抑制电源中的放电干扰问 题i i h ”j 。 近年来，由于单片机具有集成度高、运行可靠、性能价格比高的诸 多优点，被广泛应用到各种自动控制、数据采集等场合，譬如，用单片 机进行实时数据采集和控制，编程时须反复擦写e p r o m ，而在微机上可 直接生成执行文件。八十年代后期，单片机市场开始快速发展，越来越 多的单片机应用得到开发。单片机的广泛应用对自动测控系统带来了革 命性的变化。充分利用单片机丰富的软硬件资源，大大突破了传统测试 系统在数据信号处理、显示、传送、存储等方面的限制。由于使用了越 来越先进的计算机技术，基于单片机的测试系统正向着高速、高效、智 能化、多功能化、多样化发展。单片机微处理器c p u 速度的不断提高， 采用流水线r i s c 结构、c a c h e 等先进技术极大的提高了测试系统的数值 处理能力。基于单片机的可视化测控系统采用高级语言可开发出十分直 观的人机界面，并通过接口卡，将各种控制信号传递给应用系统。接口 卡和应用系统之间采用光电耦合器进行隔离，避免了应用系统地模拟电 平对单片机系统的干扰i l l 】【l ”。 电力电子技术、激光技术以及计算机技术的不断发展，使计算机控 制的激光电源的研制生产成为必然。在国际上，这一研究方向已取得较 高成就，而国内在这方面还有待进一步发展【1 3 1 。需要利用计算机、电力 电子、激光技术的迅猛发展趋势，使测控技术与计算机技术深层次结合， 推动基于单片机的自动测控技术不断发展，推进激光技术的不断完善。 1 2 研究目的和主要内容 本课题主要研究一套固体激光电源系统，该电源的负载是脉冲氤 灯，其触发、预燃、储能电容器的充电和放电过程必须有严格的时序关 系。本文论述了该电源研制过程中的关键问题，主要内容包括以下几部 分： 1 固体热容激光器电源的研制，实现其硬件电路。 a 预燃电路产生大约为2 万伏左右的高压电脉冲及使氙灯预燃 所需的预燃维持电流，一般在8 0 2 0 0 m a 。 b 深入分析各种大功率逆变器的工作原理，以高效率、小型化为 目的选取逆变器，并建立交流等效电路，理论计算元器件参数。 c 根据逆变器的工作原理及系统精度的要求，设计高精度、高稳 定性的驱动电路。 d 考虑到目前国内外电源的损坏机理，设计并实现了高效、可靠 的保护电路及抗干扰电路。 e 从整体角度考虑，完成其他相关时序电路、散热等后期问题的 设计与实现 f 进行试验分析，得出结论。 2 2 研制单片机与激光器电源的通信接口，实现a d 、d a 转换及信号 的光电耦合隔离，并产生控制信号。 3 为使电源操作方便，采用了单片机控制系统实现对电源的输出功 率、放电频率及开关机进行控制，实现了电源的程控化。 第二章固体激光器电源概述 2 1 激光电源基础 激光电源的负载是脉冲氙灯，氙灯为具有负阻特性的气体放电灯， 它对电源提出如下要求： 1 、高压触发脉冲，大约为2 万伏左右的高压电脉冲。 2 、使氙灯预燃所需的预燃维持电流，一般在8 0 2 0 0 m a 。 3 、向储能电容器充电的充电电路。 4 、储能电容器向脉冲氙灯放电的放电电路。 以目前激光电源的发展水平，第一、二两部分合用一块电路，叫 s i m m e r ( 预燃) 电路。第三部分用逆变器完成，无论开关元件用可控硅 s c r 、o s 或i g b t ，其逆变原理都是一样的，即把整流后的直流逆变成 高频交变的电压。逆变频率越高，输出耦合变压器越小，但频率也不能 过高，目前用可控硅逆变，逆变频率一般选在i o k h z ；用v m o s 选在5 0 k h z ； 用i g b t 选在4 0 k h z 。第四部分为放电网络，一般用耐高压，大电流的开 关元件，本文选择s c r ( 可控硅) 作为放电开关。综上所述，一台开关式 激光电源的方框图下图所示： 图2 1开关电源方框图 2 2 脉冲氙灯特性分析 设计一台电源，首先应考虑它的负载，前面已经提到，本电源的负载 脉冲氙灯是典型的负阻器件，它是在玻璃管内充有高压惰性气体一氙气， 正常情况下，氙灯两端电阻为无穷大。但当在其两端加上l 万多伏的高 压时，灯内部的惰性气体会被部分电离( 例如，氙灯的气压为5 3 3k p a 时， 弧长为7 0 c m 的时候，击穿电压u s 7 k v ) 。 气体击穿后，氙灯呈现低阻状态( 电离程度越大则电阻越小) ，使氤 灯进入辉光放电状态( 预燃状态) 。辉光放电释放能量很小，要达到所需 的能量，必须有大电流流过氙灯，这就需要一个高压储能电容器向预燃 4 状态的氤灯快速放电，因为预燃状态的氙灯呈低阻，所以放电电流可达 上百安培，这种放电叫做弧光放电，目前在各个领域，所需的就是这种 光。以下便是脉冲氙灯辉光放电的伏安特性曲线： u 彘 u 7 u t u 2 图2 2 脉冲氤灯辉光放电的伏安特性曲线 氙灯在预燃时，必须在氙灯两端施加一个大于up e a k 的高压( u 。 一般为一万多伏) ，击穿灯内气体，从而使氙灯电离，在这个触发的过程 中，关键是要求有一万多伏的高压，而对电流的要求不高。而在气体电 离之后，高压必须撤掉，氙灯工作在稳定的预燃状态，这时氙灯工作在 图2 2 1 所示的a b 曲线段：电压范围为u 1 - u 2 ，电流范围为i 卜1 2 。不 同的氙灯这个范围可能不同，一般i 卜1 2 大约为l o o m a - 2 0 0 m a ，而u 卜u 2 大约为1 8 0 v - 2 4 0 v 。因此，预燃电路在氙灯稳定预燃时要给氙灯一个在 a b 范围内的电压、电流值。 所以，根据氤灯的性质，预燃电路部分必须完成以下功能： ( 1 ) 、提供近两万伏的高压： ( 2 ) 、气体电离后，关闭触发高压 ( 3 ) 、提供8 0m a 2 0 0m a 的维持电流； 2 3 脉冲氙灯电源工作原理 脉冲氙灯电源上电后，首先启动预燃电路，使氙灯预燃，进入辉光 放电状态。由于在触发氙灯时会产生强烈干扰信号，所以氙灯预燃前其 他电路并不工作，氤灯预电离稳定后，有预燃电流后可产生一启动信号， 单片机接收到启动信号后，启动整个电源系统工作。 电源的主电路工作过程是首先由控制系统发出充电信号，启动逆变 器向储能电容器充电，并实时监控电容器上的电压，当电容器充电到预 定值系统便自动产生封锁信号封锁逆变器( 如图2 3 中t 0 t 1 阶段) 。 此时电源处于稳压状态，即准备放电状态。储能电容器上电压稳定 在预定值上，由于取样电路及电容器漏电的影响，电压会有所下降，此 误差信号反馈回主逆变器的控制电路，打开封锁信号，逆变器启动( 如 图2 3 1 中 t ：阶段) ，补充充电到预定电压值后，再次封锁。如此构 成闭环的有差自动调节系统，使充电精度达到0 8 9 6 。 在适当的时刻由控制系统产生放电信号，触发放电开关，储能电容 器里的电荷向氙灯快速放电( 如图2 3 1 中t 2 t 3 阶段) 在程序控制下，可以设定电源充电到1 4 2 0 v 的电压，达到2 0 次秒 的充、放电频率。 u s n 图2 3 储能电容器电压波形 u s e t ：设定充电电压值( 3 0 0 1 4 2 0 v ) “一f 1 ：储能电容器充电时间 t ， ：储能电容器上电压保持时间( 稳压时间) t ， ：储能电容器对氤灯放电时间和封锁时间 “ ：电源充、放电周期 6 第三章方案论证与理论分析 在上一章中分析了脉冲氙灯的特性及电源的工作原理。本章先给出 固体热容激光器在使用过程中对脉冲氙灯电源的具体指标要求，提出了 实现这些指标的大体的电路结构框图，针对其中主要部分的电路进行了 方案的筛选论证。 3 1 固体热容激光器脉冲氙灯电源的指标要求 激光电源的种类繁多。激光器用途不同，对电源提出的指标也不一 样。下面介绍几个主要的技术指标。 ( 1 ) 输出功率，即激光器电源传送到负载上的功率。 对脉冲式电源，输出给氙灯的单次能量是一项基本的指标。如果储 能电容器为c ，每次充电电压为【，则单次能量为： 如= 1 c u c 2 如果要求电源工作频率为厂，则电源的输出功率为： t , o = j c ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中：c 储能电容器电容量； 【0 一充电电压终值； 厂一电源工作频率； 厶一电源输出的单次能量； 只一电源的输出功率。 普通激光电源的电光转换效率较低，只有1 2 左右。一台要求输 出功率为1 0 0 w 的激光器，它的电源应输出i o k w 的电功率。如果电源本 身的效率为8 5 ，则这种激光器电源的输入功率为1 2 k w 。 ( 2 ) 重复频率。重复频率是脉冲电源的一项重要指标，是指电源 向负载每秒钟放电的次数。 一般情况下，固体激光器的重复频率为每秒1 次、每秒5 次、每秒 1 0 次、每秒2 0 次或更高。目前已有每秒1 0 0 0 次的超高重复频率电源。 电源的重复频率是根据激光器的要求而定的。 ( 3 ) 充电效率。储能电容器上获得的能量与充电电源提供的能量之 比，称为充电效率。通常用下列公式表示： j 7 = 孚 ( 3 1 3 ) 式中：，7 一充电效率； t ，一充电电源提供的能量； 7 厶一电容器提供的能量。 充电效率的高低与充电电路有很大关系。充电效率高，说明充电电 路的损耗小，因而充电电路中的元器件( 特别是大功率开关器件) 不容 易发热，能保证电源长时间可靠运行。充电效率高低是衡量激光器电源 性能好坏的一项十分重要的指标。 ( 4 ) 充电精度。大多数激光系统，要求激光输出稳定。要做到这一 点，就要求泵浦光源发出的光稳定。对激光器电源而言，就要求储能电 容器的充电电压稳定。目前，逆变式充电电路的充电精度可达0 8 。 为了达到满意的充电精度，必须采取有效的电路设计，这也是研究 逆变式充电电路的重要内容。 ( 5 ) 体积和重量。随着激光技术的应用和发展，对激光器电源的体 积和重量的要求愈来愈高。过于笨重的激光器电源给应用带来不便，甚 至失去实用价值。提高充电效率，是减小体积和重量的有效途径。 ( 6 ) 可靠性。激光器电源必须有很高的可靠性。连续工作状态的电 源，应保证长期运行而不出故障。脉冲工作状态的电源，也应在几百小 时之内不出现故障。 本论文源于“固体熟容激光器肌理研究”的科研项目，其技术指标 要求是根据固体热容激光器具体功率要求、精度要求和操作要求而提出 的，并力求电源的体积小，重量轻，并且在操作方面实现程控化【l o l 。电 源工作在脉冲方式下，放电频率、放电电压均可在一定范围内调节。储 能电容充电电压从3 0 0 1 4 2 0 v 连续可调，充电电压稳定度0 8 。电压 波动小于1 v ，充放电频率2 0 次秒。输出各项参数值的调节是通过一 单片机控制系统实现的，并在操作面板上显示当前电源的工作状态。无 论在开机、关机还是在工作过程中都不会出现误动作。一旦出错，电源 必须具备自我保护功能。 3 2 电路整体设计方案 在仔细分析了固体热容激光器系统的工作原理和它在使用过程中对 电源提出的具体技术指标后，可提出以下的大致电路总体设计方案，并 以框图的方式表示，如图3 1 所示1 1 爿： 整个系统的各个电源的设计是围绕着总体设计方案展开的。对其中 重要的、对技术指标实现有较大影响的单元，有必要进行方案的分析、 对比、筛选，以及深入的理论分析。 图3 1 整体设计方案图 3 3 逆变器理论分析 开关稳压电源的电路形式很多，分类方法也有好多种。如果按开关稳 压电源的构成方式不同，则可以把它们分为两大类： ( 1 ) 串联型开关稳压电源 升压式 r 降压式 l 反转极性 ，反激式 l正激式 ( 2 ) 变换器型开关稳压电源 推挽式 l i半桥式 全桥式 如果按驱动信号的产生方式来分类，开关稳压电源可分为自激型和 他激型两大类。对于同一种电源，其自激型和他激型的工作原理彼此基本 相同。 对几种开关稳压电源主回路性能比较如下表3 1 例所示： 在脉冲激光电源中，逆变器的任务是对储能电容器充电，充电电路 9 设计是至关重要的，它要求充电效率高、充电速度快、充电精度高。应 用工程数学的方法得出结论：当储能电容为理想电容器、漏电流为零时， 充电电流是一恒定直流，充电电压线性增长，效率最高，回路中损耗最 小。围绕这一结论，先后出现了l c 恒流充电电路、l c 谐振充电式电源 等恒流充电电路，但存在充电速度慢、体积、重量庞大的问题。八十年 代初，随着开关电源技术引入激光电源设计中，激光电源的体积、重量 表3 1 几种主回路特性的比较 项电路 反激式正激式推挽式半桥式全桥式 籼u o 电压压峭争t r o u ，钟q 珥1 3 , 等q 特“ 晶体管承受 的最大电压 o c e 晶体管的最 大电流i o 变压器磁芯 工作情况 u + 可n p u 。2 u2 堡三生三生堕生 u it mu | t 。 u lu u | 工作在b h 回工作在阴工作在阴工作在阴工作在阴 线的第一象回线的第一回线的第回线的第一回线的第 限象限一三象限三象限一三象限 黼利用率不高利用率不高利用率高 利用率高利用率高 输出功率 控制电路 小 简单 小稍大较大最大 简单较复杂较复杂复杂 大大减小。可控硅( s c r ) 谐振逆变充电电路、功率场效应晶体管( v m o s ) 及绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 谐振逆变充电电路是较为典型、应用最 广泛的一种开关电源充电电路。可控硅谐振逆变电路工作频率较高，且 使许多关键器件体积减小；应用了串联谐振电路，开通、关断损耗大大 降低。但由于i g b t 具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、且驱动电路 简单、驱动电流小等特点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等 优点，i g b t 有取代0 s 和大功率晶体管( g t r ) 的趋势。因此，我们研 制了i g b t 半桥谐振充电电路。本节就论文中所涉及到的部分，主要以他 1 0 激型为例，分别论述。 ( 1 ) s c r 谐振逆变充电电路原理分析1 3 j s c r 半桥串联逆变充电电路如图3 2 所示： d l 图3 2s c r 半桥串联谐振逆变充电电路 这种电路中的功率开关器件选用快速s c r ，逆变频率最高可达到 2 0 k h z 。图3 3 1 为其主电路拓扑，属于半桥串联谐振式逆变结构。 其中2 e 是电源电压，c 1 = c 2 ，当电路处于静态时( 即s c r 和s c r ，均 截止) 它们把电源分为相等的两部分即为e ，每只晶闸管元件上各反并 联一个高速二极管d l 、d ：起续流作用，另外，与晶闸管并联的r c 吸收 电路是用来限制晶闸管元件的电压上升率。电感厶是回路谐振电感，同 时又限制了流过晶闸管的电流上升率，谐振电容g 与高频变压器t x 的 初级相串联，变压器次级输出经全桥整流后给储能电容器c 充电。其中 c 1 ，c 2 c 3 ；q c 3 下面分析该电路的工作过程。在该电路中，s c r 的触发频率疋小于 l c 回路的固有频率厂，且疋 2 t ) ，假设各元件的损耗很小， 为便于计算，忽略回路中的损耗。工作时逆变桥路的电流波形如图3 2 所示： 厂、 八 v 夕幅 图3 3s c r 逆变电路电流波形 在t 。时刻，在s c r 。门极加一个触发信号t r ，则s c r 。开通，这时电源通 过s c r 。、厶、变压器初级线圈n l 向电容器c ，充电。充电过程为谐振过 程。谐振回路中的电流按正弦规律变化，当f 等于半个谐振周期t ，时，谐 振电流( 即给g 充电的电流) 变为0 并反相，s c r t 关断，此后与鼢， 反向并联的二极管日导通，c ，通过厶、变压器初级线圈m 、d 1 向电源 反馈能量，当谐振电流再次变为0 即t ：时刻，d l 断开，系统进入相对静 止状态，直到经过一段时间后到t ，时刻，在s c r ，门极加一个触发信号 豫：，使s c r ，开通，这时c ，的电压通过变压器初级线圈 1 、厶、$ c r ：反 向充电，当谐振电流变为0 并反相时，s c r ，关断，然后d ，导通，此时， c ，通过变压器初级线圈甩1 、厶、破向电源反馈能量，直到电流再次变 为0 ，系统进入相对静止状态，完成一个完整的串联谐振周期。再在s c r 门极加一个触发信号豫，使s c r 。导通，开始下一个谐振周期，重复上 述过程。如此不断循环下去，从而在变压器次级将能量传递给储能电容 器c 。可见，在一个逆变周期内，一共包括四个阶段： t o 一 期间，s c r ，导通，电源向c 3 充电，右正左负： 一t ，期间，d l 导通，c 3 向电源反馈能量； 一t 期间，s c r ，导通，电源向c ，反向充电，左正右负： t 一t ，期间，d 导通，c 3 向电源反馈能量； 前面的理论推导是假设电路中没有损耗的理想状态得到的，而实际 1 2 电路不可能达到这种理想状态，因此在具体的实验过程中，就以该理论 作为指导，考虑电路中的损耗，联系实际测试情况调节元件参数，从而 完成设计。 从上面的工作过程可以知道，这种半桥谐振逆变电路的电流波形的 一个完整周期由两个正弦波形组成。从电容充电电流有效值角度看，它 实现了恒流充电。桥臂上的两只可控硅的开通和关断均是在谐振电路中 的电流为0 时实现的，很大程度上减小了电路中的损耗。电流波形为正 弦波，而不是一般逆变电路中的类似矩形波、三角波的电流波形，功率 因数高，对电网的干扰很小。 ( 2 ) v m o s 全桥谐振逆变充电电路【1 6 l - ”i s c r 谐振逆变充电电路目前已得到较为广泛的应用，但它也存在很 大的缺陷。s c r 由于器件工作机理的原因，频率不可能作的很高，这种 逆变电路的工作频率一般超不过2 0 k h z 。这使得充电速度、充电精度受 到很大限制，也使变压器体积相对较大。当工作频率较低进入音频范围 时，使用者会听到讨厌的啸叫声。此外，s c r 导通所需门极触发信号电 压幅度较低，有的仅需1 5 v 即可满足导通条件，造成门极抗干扰能力差， 容易被误触发使s c r 导通导致逆变失败。 v m o s 与s c r 相比较，它可以实现自关断、工作频率很高、抗干扰能 力强、容易驱动；由于它控制电路简单，便于设计，其可靠性也得到了 进一步提高，现在已普遍应用于中小型功率设备中。具体的电路拓扑如 图3 3 所示，属于全桥串联谐振式v m o s 逆变结构。工作过程中的电流波 形如图3 5 所示。 【jl 一 一 一k一【 图3 4 o s 全桥串联谐振充电电路 图3 5 v m o s 逆变器电流工作波形 电路中2 2 0 v 市电直接整流滤波加在桥路上，q 1 q 4 采用大功率0 s 管，d 1 d 4 为内部寄生反向续流二极管，在每个管子上并接r c 吸收网络。 在l 、c 中间做电流互感器，用来对逆变器进行过流保护。 在t = t o 时刻，q l 、q 3 栅极加入幅度足够的驱动脉冲z k 和豫3 ，q l 和q 3 导通，此时流过电感的电流为f ( f 。) ，电容器上的电压为“) ，电 路以此初始值对c 。谐振充电至“时刻，电流谐振过零，此后电流f ( f ) 改变 方向，c l 通过二极管d 1 、d a 向电源反馈能量，到t ：时刻，q 2 、q 4 栅极 加入驱动脉冲z r ：和豫。，q 2 和幺导通，开始了下半个周期的谐振过程， 电源对c l 谐振充电到t ，时刻，电流谐振过零，换相后c l 通过二极管d ，、 d 4 向电源反馈能量，到t 。时刻重新驱动，开始了第二个周期的谐振过程。 图中口为v m o s 导通角度，为二极管续流时的导通角度( 都是相对于 谐振周期而言) 。y m o s 谐振逆变充电电路与s c r 谐振逆变充电电路的等 效拓扑电路有很多一致性。对应不同的导通环节，电路中的电流表达式 形式有所不同。 同样，在一个逆变周期内包括四个阶段： t o t ，期间，q l 、q 3 导通，电源向c i 充电； f j f ，期间，d l 、b 导通，c ，向电源反馈能量； ，2 一，3 期间，q 2 、q 4 导通，电源向c l 反向充电； t ，一t 期间，岛、皿导通，c 1 向电源反馈能量。 类似s c r 逆变电路，此电路对储能电容器仍然为恒流充电。这种新 型充电电路的脉冲激光电源输出功率大，充电速度、充电精度大大提高， 整体体积、重量也得到了减小，但控制电路较为复杂，而且v m o s 管承受 1 4 电流的能力达不到本设计的要求。 ( 3 ) i g b t 半桥谐振逆变充电电路 i g b t 兼顾了v m o s 和g t r 的优点，具有输入阻抗高、控制电路简单、 开关速度快、热稳定性好等特点1 2 1 h ”。为提高电源的可靠性，为减小 电源的体积和重量，i g b t 逆变器具有很强的竞争能力，特别是i g b t 串 联谐振式逆变技术发展得十分迅速。 半桥串联谐振式i g b t 逆变器的具体电路结构如图3 6 所示： 醋撵 一一 】l i 【o c 一 f 一 【】 图3 6i g b t 半桥串联谐振充电电路 其中2 2 0 v 交流电经整流后的电压为2 e ，c l = c ：，当电路处于 静态时( 即i g b t i 和i g b t 2 均截止) ，它们把电源分为相等的两部分即为 e ，每只i g b t 上各反并联一个高速二极管d t 、d 起续流作用，另外， 与i g b t 并联的r c 吸收电路是用来限制开关元件的电压上升率。电感厶 是回路谐振电感，同时又限制了流过晶闸管的电流上升率，谐振电容g 与高频变压器正的初级相串联，变压器次级输出经全桥整流后给储能电 容器c 4 充电。其中c l ，c 2 c 3 ；c 4 c 3 。 下面分析该电路的工作过程。在该电路中，i g b t 的触发频率疋小 1 于三c 回路的固有频率，( 五 c 3 ，所以c l ，c 2 上的电压对谐振电路而言，相当于恒压源e ， 因而图3 3 7 的( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 图的谐振电路部分最终可分别等 效为图3 3 8 的( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 。 l 哥e u c i ( 1 ) ic 丰 ( i 】 一卜7| _ j 、广y 、，l j 0 ) t 1 - t 8 阶段 ( c ) t 8 一t 4 阶| | t ( d ) t 4 一t 5 阶段 图3 9i g b t 逆变电路的工作过程的等效电路 笋 下面计算等效电路图3 8 中l 、c 的表达式。 图3 7 中谐振电路的总阻抗为 z l2 ，鸩+ 击( 3 3 1 ) q = 怒m c 3 ( c 4 c 3 ) ( 3 3 2 ) 图3 8 中电路的总阻抗为 z 2 = ，础+ 击 因为五= z 2 ，得到 三= 厶( 3 3 3 ) c = c 3 ( 3 3 4 ) 下面对电路的工作过程进行分析。 在b - t 。期间，电路的工作状态可由图3 7 的( a ) 图描述。数学描 述方程为： f ( f ) ；c 掣 ( 3 3 5 ) e - - 4 c ( ，) ：三掣 ( 3 3 6 ) 其中，( f ) 一c 两端电压5 f ( f ) 一电路中的电流。 求解可得： 甜c ( f ) = e + 丽1 f i n m ( f t o ) 一陋一甜c ( f o ) 】c 咖( f f 。) ( 3 3 - 7 ) l o ) ：f o 。) c 。s m ( f t o ) + ! ! 二! ： 蛐。i 1 1 m ( f - t o ) ( 3 3 8 ) 式中国一谐振电路的固有频率珊= 了厉1 z 诣振电路的等效阻抗z 2 j 昙， 甜。o 。) 、f “) 为电路在“时刻的初始状态值。分析电路的工作状态有 ( t o ) - - 0 ，所以 u c ( f ) = e 一陋一“。( f 。) 】c o s 功( f t 。) z ( f ) = 鱼二掣s i n m o 一，0 ) ( 3 3 9 ) ( 3 3 1 0 ) 同理，另外三个状态的电流可用式3 3 1 0 在不同期间的波形表示。由于 忽略了损耗，每个状态的电流的幅度相等。 则在变压器次级上得到的电流f ：o ) 为 器训( 3 3 1 1 ) 如( f ) = 圭f ( r ) ( 3 3 1 2 ) 又由于在变压器次级电流经整流后向电容器充电，所以负载中获得的充 电电流为变压器次级电流的绝对值，即 屯( f ) = 俐= 抛】 ( 3 3 1 3 ) 由电路的工作过程可知，t o t ：为一个谐振周期r 。则在一个谐振周期内 电容器上的电压变化量为 a u c , = 2 百1 廿i m = i 1a 2 f , 掣s i n m ( ，“净 ( 3 3 1 4 ) 2 吉4 陋啦( f o ) 】芑 假定“。“) = 0 ，则 u ，：4 e c 。 n c 4 ( 3 3 1 5 ) 假设储能电容器c 4 = c l ，从0 伏充至u 伏，则需要的谐振周期数 n 为 ：旦：盟 (3316)att 。4 e c 一。7 若谐振周期为t ，逆变周期为瓦( 瓦 2 t ) 则需要的充电时间为 t = n t n t s 2 ，因此电源的放电周期t r + m ( 岔为封锁时间，经验值 为4 m s ) ，t i p 电源的放电频率为 ，甄1 8 e c 举例：已知c l = 1 0 0 f f ，u = i o o o v ，e = 1 5 0 v ，变压器变比疗：6 ，逆 变频率石= 9 k h z ，c = 1 5 u f ，a t = 4 m s ，代入式( 3 3 1 7 ) ，得到电 1 9 源的放电频率为f 2 4 h z 。 勰 、u c , i l 叫八。 产 u v 钆f 如果逆变频率提高到1 1 k h z ，即正= 1 i k h z ，而其它参数不变， 则电源的放电频率为，。s2 9 h z 。 由此可见，提高逆变器的逆变频率，可以提高电源的最高工作频率。 但是逆变器的逆变频率矗的最大值又是受谐振网络的固有频率厂限制 的，即兀 厂。 串联谐振型d c d c 逆变器的动态工作状态是由电路的谐振频率f 。与 功率开关管的通断频率f 。之间的关系来确定的。根据谐振频率f 0 与通断 频率f s 之间的关系可决定电源主电路中的谐振电流是连续的或是断续 的。 一、通断频率小于谐振频率的一半( 。 。1 2 ) 在( i ) s ( oo 2 时，i g b t l 导通时，逆变器中谐振电流“r ) 由零开始建 立，根据电路的拓扑结构及其计算公式，可分段绘出谐振电流f ，( f ) 和谐 振电压【0 ( f ) 的波形。如图3 1 0 所示： 在c 。o t - 时，谐振电流f ：( f ) 过零，然后反向并逐渐减小，最后在。t 。 时趋于零。由于。 0 2 时的谐振电流和谐振电压波形 在i g b t 的通断频率s 大于电路本身的谐振频率。时，功率变换器 中的谐振电流i ，i f ) 是连续的，如图3 1 1 所示。 此时，i g b t l 和i g b t 2 时在零电流和零电压状态下关断的，但不是 在零电流状态下开通的。由上述分析可知，当电路工作在m 。 m 。2 时， 对开关管是最为有利的。本论文也应满足通断频率小于谐振频率的一半， 即s 1 5 u s 的过电流都会使慢关 断电路工作。由于慢关断电路的放电时间t ：较小，充电时间常数t 。较 大，后者是前者的1 0 倍，因此慢关断电路一旦工作，即使短路现象很快 消失，e x b 8 4 1 的引脚3 输出也难以很快达到+ v 萨+ 1 5 v 的正常值。如 e x b 8 4 1 中得c 以放电至终了值( 3 6 v ) ，则它被充电至2 0 v 的时间约为 1 4 0 u s ，与本脉冲关断时刻相距1 4 0 u s 以内的所有后继脉冲正电平都不会 达到+ v = = + 1 5 v ，即慢关断不仅影响本脉冲，而且可能会影响后继好几个 脉冲。 ( 3 )由图3 1 4 可知，光耦合器由+ 5 v 稳压管供电，这似乎简化了 电路，但由于e x b 8 4 1 的引脚1 脚在i g b t 的e 极，i g b t 的开通和截止会 造成其电位很大的跳动，可能会有浪涌电压尖峰和浪涌电流尖峰，这无 疑对e x b 8 4 1 的可靠运行不利。另外，从其印制电路板( p c b ) 实际走线 来看，光耦合器v l 的引脚8 到稳压管v s 。的走线很长，而且很靠近输出 极( u 、v 5 ) ，易受干扰。 ( 4 )i g b t 开通和关断时，稳压管v s ：受浪涌电压和电流冲击易损坏。 另外，从p c b 实际走线上看，v s ：的限流电阻r 。两端分别接在e x b 8 4 1 的 引脚l 和引脚2 上，在实际电路调试时，易被示波器探头等短路，从而 损坏v s 。使e x b 8 4 1 不能继续使用。 3 5 放电电路设计 放电电路在氙灯电源中起很重要作用。因为在放电电路中要把储存 在储能器中的电能直接转换成光能，故放电电路决定了氙灯电源的效率。 对放电电路的要求是存储在储能器中的电能如何高效率的转换成光能。 放电电路的负载是氙灯，而放电灯的电流i 和电压u 遵守下述关系： l u - - k o l i l i ( 3 5 1 ) 式中，氙灯的电阻系数。 放电电路一般由储能电容器或储能电感器以及放电开关组成。根据 不同要求，放电电路可由一组电容器组成，也可由电感和电容组成单节 l c 放电电路，也可采用多节l c 网络组成多节网络放电电路。为提高脉 冲氙灯的电光转换效率和延长氙灯的寿命，可采用预燃型放电电路。 由于给定的灯的长度为1 3 0 m m ，内径为6 m m ，按照公式k o = 1 3 1 d ，式 中，为灯的弧长，d 为灯的内径，可求出灯的电阻系数k o = 2 8 。由于每次 放电脉冲的能量为j = 1 2 c v 2 。 对单节l c 放电电路，则按下面公式设计回路参数，当口= 0 8 时， 放电进入临界状态。灯光为钟形脉冲。 c 一痧丽 j = 2 0 0 j 其中t 为归一化时间，口= 0 8 ；k 。为灯的电阻率系数，k f l 3 * l d ，l 为 灯的弧长1 3 0 r a m ，d 为灯