（电力电子与电力传动专业论文）脉冲型激光器供电电源研制.pdf

a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e r p r e s e n t st h ep u l s a i i tl 船e r p o w e r s u p p l y ( p l p s ) ，m a i n l y i n h d d u c e st h ec i r c u i t o fp o w e r s t o m g e c 印a c i t o r ，w h i c hp r 0 v i d e sp o w e r f o r p u m p i n gx e n o nl 锄p si n al a s e r g e n e r a t o r w h e i ls e l e c t i n gm e c i r c u i tt o p 0 1 0 9 y ，t 1 1 i sp 印e rp u t st h ep r o d u c t a b l yo ft 1 1 i sk i n do f p o w e rs u p p l ya tf i r s t ，t h r o u 曲c o m p 撕n gt t l ef u l l - b r j d g es t a t i o n a r y f r e q u e n c yv o l t a g em o d e l ， f u l i b r i d g ev 撕a b l e f r e q u e n c yv 0 1 t a g em o d e l ，i n v 撕a b l e n e s sc 岍e mc h a r g em o d e l ，f l y b a c k c u r r e n tm o d e l ，a n ds e r i e sr e s o n a n tm o d e l ，m e nc h o o s e sf u l l b r i d g es t a t i o n a r y f r e q u e n c y v 0 1 t a g em o d e l ( f s v m ) a s t l l ec h a r g ec i r c u i to ft h ep o w e r s t o r a g ec a p a c i t o ri nt h ep l p s 1 札s k i n do fc i r c u i th a st h ea d v a l l t a g e so fs i m p l yc o n t r 0 1 l e d ，e a s yt os e l e c td e v i c e s ，e 船yt oo u t p u t h i 曲p o w e r ，e t c t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eo p e r a c i o np r i n c i p l ea n dk e y - p o i n t so f t h a tc i r c u i t ，a n d t h ed e s i g no f m a i nd e v i c e s i na u u s i o nt ot h ed i s a d v a n t a g e so f1 0 t so f s w i t c h i n gl o s sa n dc u 盯e n th a 订n o n i c ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h ea p p l y i n go fs e r i e sr e s o m n tc i r c u i tt ot h ec h a r g eo fs t o m g ec a p a c i t o r t h et h e o r y a n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es r ch a st h ea d v a i l t a g e so ff s v m ，a tt h es a m et i m e ，i ta l s o d e p r e s s e st h es w i t c h i n gl o s sa n dr e d u c ec u r r e n th a 肌o n i c i ti st h em o r ei d e a lc i r c u i tt oc h a r g e t h es t o r a g ec a p a c i t o rt h a nf s v m k e y w o r d s ：p u l s a n t l a s e rp o w e r s u p p l ys t a t i o n a r y f r e q u e n c y s e r i e sr e s o n a m 直立煎窑莹丞盘堂亟：羔焦迨童 第一章激光器及其供电电源原理介绍 第一节激光、激光器初步知识介绍 一激光与受激辐射 “激光”的现用名是由我国著名科学家钱学森教授建议，经中国科学院技术科 学部讨论，于1 9 6 4 年底正式确定的。它的英文词“l a s e r ”，来自五个单词的首字 母，即：光( “曲t ) 、放大( a j n p l i f i c a t i o n ) 、受激( s t i i l l u l a t e d ) 、发射( e m i s s i o n ) 和辐射( r a d i a t i o n ) ，这反映了激光的物理本质，即受激辐射和光放大。 根据物理学理论，原子由原子核与电子组成，电子沿一些确定的轨道围绕原子 核运转：相应于一定的轨道，电子具有一定的能量，用物理学语言描述，电子处于一 定的能级，或一定的态。稳定情况，电子总是沿这样的轨道运行，使得原子处于能量 最小的状态，通常称这种状态为基态。 当受到某种激励时，电子可以从一个轨道“跳”到另一个轨道，物理学中称为 跃迁。跃迁过程中，原子的能量也发生改变。为了从较低能级跃迁到较高能级，原子 必须从外界获得能量，而当原子从较高能级跃迁到较低能级时，它将向外界释放能量， 释放出的能量可以是热，也可以是光。 处于高能态的原子，受到外来辐射的激励，在一定的条件下，发射一个光子， 原子由激发态返回基态。这种过程称为受激辐射跃迁，它是由近代物理学泰斗爱因斯 坦于1 9 1 7 年首次提出的。由于受激辐射是在入射光的控制下产生的。因此，发射光 必然会与入射光有某种联系，事实上，理论与实践都证明，受激辐射光与入射光具有 相同的频率和相位，并沿相同的方向传播，因而是相互关联的，或称具有很好的相干 性。受激辐射的这一特性正是激光赖以产生并具有一系列特殊性能的基础。 由于原子总是力图处于能量最低的状态，因而，正常情况下，低能级的粒子总 是多于高能级粒子数，系统受激辐射跃迁过程处于从属地位。为了产生更多的受激辐 射，得到光放大，就必须设法使高能级的粒子数超过低能级的粒子数，这属于一种反 常状态，称为“粒子数反转分布状态”。也就是说，光辐射与物质发生作用时能够得 到光受激放大的条件是物质系统处于“粒子数反转分布状态”。 激光器，即产生、发射激光的仪器，它的正常工作，必须满足粒子数反转条件 和阈值条件，阈值条件是指受激辐射光需要达到一定的强度，才能输出激光。这些条 件靠激光器的各组成部分来实现。 二激光器组成 一台最简单的激光器通常由三部分组成“1 ，即工作物质、泵浦源和激光谐振腔。 工作物质是激光器的核心，它是赖以产生激光的基础。泵浦源为工作物质中粒子数反 转提供能量，将足够数量的粒子从低能级“抽运”到高能级，这与水泵将水从低处抽 脉冲型激光器供电电源研制 第一章 往高处相类似，因此将上述“抽运”过程称为“泵浦”，而提供泵浦能量的设备则称 为“泵浦源”。激光谐振腔为激光放大提供场所，由聚光腔、全反射镜和部分反射镜 组成，其作用类似于“加速器”。受激辐射光通过反馈在谐振腔中形成放大与振荡， 并由部分反射镜输出。图1 1 示出激光器组成。 图1 1 激光器组成 1 聚光腔2 工作物质 m 】全反射镜 m 2 部分反射镜 m 1 三激光器分类 1 按工作状态分，激光器有连续运转和脉冲运转激光器，而后者又有单脉冲 输出和重复频率输出之别。一般认为数分钟工作一次的脉冲激光器为单脉冲输出激光 器，每分钟工作数次到：每秒钟数百次的脉冲激光器为重复频率脉冲激光器。 2 按泵浦方式分，可分为电泵浦、光泵浦、化学能泵浦和核能泵浦等。 3 按工作物质形态分，有气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激 光器等。其中每一类又根据具体使用的工作物质而命名，如气体激光器中有二氧化碳 ( c 0 2 ) 激光器和氦氖( h e n e ) 激光器等，固体激光器里有红宝石激光器、掺杂钕 的钇铝石榴石( n d 3 + ：y a g ) 晶体激光器等等。 除以上三种外，激光器还可有很多分类法，限于篇幅，不一一作介绍。本论文 所介绍电源的工作对象是掺杂钕离子的钇铝石榴石固体激光器，工作于重复频率脉冲 方式，采用光泵浦。掺钕激光器是当前应用最广的固体器件之一，主要用于各种材料 的加工，如打孔、点焊、激光标刻及集成电路中厚膜、薄膜电路的加工制造，冗余修 复等；在医疗上则可用于多种外科手术，此外，还在军事、核工业上有着广泛应用。 下面对固体激光器及其泵浦灯作一简单叙述。 第二节脉冲式固体激光器及其泵浦灯 一脉冲式固体激光器的基本结构 图1 2 示出脉冲式固体激光器基本结构简图，工作于连续方式的固体激光器 一般采用氪灯作泵浦源，而工作于脉冲方式的则采用氙灯作泵浦源，泵浦源将电能有 墅垫錾墅坠堇垦璧垡垒圣 一 效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量，用以激发工作物质，产 生激光。固体激光器的工作物质由于参与激射的离子密度高及激光上能级寿命较长， 所以容易获得大能量激光输出“1 ，但由于采用光泵浦激发，能量转换环节多，器件效 率较低，大量泵浦能量转变成热，使激光器温度升高，对器件性能影响很大。因此， 使用中要注意散热。 图1 2 脉冲固体激光器结构简图 由图1 2 还可看出，脉冲激光器供电电源系统包括触发电路、储能电容以及高 压充电电路三部分，而氙灯是电源系统的负载。因此，在设计电源系统时，应对负载 氙灯的工作特性有所了解。 二氙灯工作特性 氙灯是脉冲激光器中工作物质的泵浦源。工作中，除了要求灯的辐射光谱与工 作物质吸收谱线相匹配外，还要求灯的动态阻抗与电源系统参数匹配。 1 氙灯放电过程 氙灯放电过程是随时间急剧变化的过程，即灯的电阻、端电压及电流都随时间 变化，具体分三个阶段。 ( 1 ) 点火( 击穿) 阶段：灯两端加数万伏的高压脉冲，使灯管内惰性气体 开始电离，形成窄的火花放电通道。接着储能电容器中的能量向灯管释放，在轴向( 灯 管长度方向) 电场作用下，灯管内的电子不断加速获得能量，并与气体分子( 原子) 碰撞，进一步引起电离。这阶段很快结束，持续时间约为5 “s ，使得灯管内放电通道 的横截面达到最大值。 ( 2 ) 稳定的放电阶段：这一阶段中，脉冲灯近似为电阻特性，电阻率约为 0 0 l o 0 2 剑c m ，储能网络的电能大部分在这段时间内输入至灯内转换成辐射能。 ( 3 ) 放电熄灭阶段：随着储能网络中能量的释放，输入至灯的电功率逐渐 减少。当输入功率不足以克服高温等离子体的辐射和其他损失时，放电等离子体温度 逐渐下降，灯电阻逐渐增加。在储能网络供给灯的功率不足以维持放电时，放电熄灭。 1 壁茎型塑堂登堕皇皇塑堕型 星：二量 一 2 氙灯的伏一安( u i ) 特性 用实验方法，可以获得脉冲氤灯放电过程的伏一安( u i ) 特性，如图1 3 所示 可见氙灯是一非线性电阻元件。 图1 3咏冲氙灯放电过程u i 特性曲线 整个u i 曲线分两部分，即a b 段和b o 段，a b 段代表放电的上升阶段，从 放电开始的a 点，( 电压最高，电流为零) 到电流最大值b 点。b o 段代表放电下降 阶段，电流由最大值下降到零。 对应于放电过程的三个阶段，分析氙灯的u i 特性曲线。 a b 段对应于点火阶段，高电压使得灯内气体电离，形成放电通道，电流由零 开始逐渐增大，至b 点处，放电通道截面积最大，放电电流达到最大值。从b 点开 始进入稳定放电阶段，掣 o ，呈现正的伏安特性，氙灯等效为一只电阻，但阻值 倒 不断变化。随着储能网络供给能量的减小，灯管两端电压值降低，等效电阻值增大， j rr 至。点处等= 。o ，放电熄灭。 倒 3 氙灯运行的工作参数 ( 1 ) 极限输入能量 是指灯在无破坏性损坏下，单次闪光所允许输入的最大能量，又称爆炸能量， 与灯管的结构尺寸有关。 ( 2 ) 极限峰值电流 指灯在无破坏性损坏下，最大允许通过的电流值，主要与灯管内径及电流脉冲 持续时间有关。 ( 3 ) 极限电流上升率 j ； 放电电流增长速度过快，即；超过一定数值，使得电弧膨胀速率大，冲击波 d r 大，也会使灯壁破损。该值常由实验确定。 4 煎立照垒盟盔叁：至蝗主僮迨童 第三节脉冲固体激光器的电源系统 脉冲固体激光器电源系统包括充电电路、储能网络、放电电路、预燃及触发电 路、控制电路等，见图l 一4 所示。图中，充电电路从交流市电获取能量，向储能网络 输送，储能网络由电容器组成，当电容上的能量存储到预定值后，通过放电电路向氙 灯释放。充电电路与放电电路交替工作。预燃触发电路在充电电路之前工作，为氙灯 提供上万伏的高压脉冲，击穿其内部气体，使氙灯处于低阻导通状态。在将氙灯击穿 后，预燃电路还向氤灯提供1 0 叽2 0 0 m a 的维持电流，使其维持导通。只有这样，储 能电容中的能量才能向氙灯释放。各部分电路的工作原理，将在以下面章节详细论述。 图1 4 脉冲同体激光电源系统框图 竖i ! 型堂堂堡垡皇皇塑堑塑笙= 兰 第二章电容充电电路设计 第一节技术要求 本论文所介绍的电源为工作于重复频率脉冲方式的固体激光器提供电能，激光 器用于激光打标。由于激光器采用氙灯作泵浦光源，因此，电源系统的负载就是储 能电容和氙灯，具体地讲，电源的主功率部分向储能电容充电，而电源的预燃触发 电路向氙灯提供数万伏的击穿电压，随后提供较小值的维持电流。 一技术要求 1 输入三相交流市电3 8 0 v 1 0 2 输出储能电容 1 0 0 uf 晟高充电电压1 0 0 0 v 充放电频率4 0 次秒、2 0 次秒、1 0 次秒、1 次秒 放电时间6 m s 3 预燃氙灯预燃后，维持电流1 0 0 2 0 0 m a 4 具有过压、过流、过温保护 5 预留与计算机的接口。放电频率由计算机控制时，能实现从l h z 到4 0 h z 之间的任一放电频率。 解释技术要求 充放电周期由充电时间和放电时间组成，为确保储能电容上的能量向灯 管释放完毕，放电时间需要足够长。“技术要求”中提出的“6 m s ”， 是由灯管生产厂家和用户通过实验以及投入工作中长期运行得到的经验 值，设计电源时必须保证这一时间。因此，对应于“4 0 次秒”的充放电 频率，充电时间最多只有：2 5 m s 6 m s = 1 9 m s 。 电源的输出功率( 平均功率) ，由储能电容容值c 、充电电压值u 以及充 放电频率f 决定，有下式 p = 昙c u 2 厂 ( 2 1 ) 因此，上述“技术要求”中己指定电源的输出功率为 j p = 三，1 0 0 + 1 0 0 0 2 + 4 0 = 2 后 ( 2 - 2 ) 预燃电路要求提供1 0 0 m a 2 0 0 n a 的维持电流。根据灯管特性，只要电 流在这个范围内，均可使灯管维持导通状态。 预留与计算机接口。实际工作中，很少单纯按照电源上提供的放电频率 工作( 这称为“内触发”) ，因为激光打标，一般是在某种材料的工件 直立氲窒照丞厶堂亟主! 篓堡垒塞 上，打印出图案或字样。要实现这个目的，激光束与工件间必须要有相 对运动，而且还需要有一套中央控制系统来协调控制。图2 1 为某型激 光打标机的控制系统简图“1 ，计算机通过接口电路控制激光电源和步进 电机。为实现计算机控制，电源内要设置接口电路。 激光控制系统接口卜一激光电源h 激光脉冲 计 算 机 电机l 一x 向步进电机 控制l 接口l 一y 向步进电机 工作台 c 工件) 图2 1扫描式激光打标系统结构简图 计算机软件里可设定激光电源的充放电频率，但最大不得超过额定值( 4 0 次秒) ，关于接口电路，将在控制电路部分里作介绍。 第二节电路方案确定 一概述 脉冲激光电源的特点是工作分两段，即对储能电容的充电阶段，和储能电容对 氙灯的放电阶段。根据这个特点将电源主电路分为两部分：充电回路和放电回路。放 电回路相对简单，一般用晶闸管连接储能电容和氙灯，晶闸管导通时，电容放电。此 处仅对充电回路作详细介绍。 理论上，任何种能应用于d c d c 变换的开关拓扑均可用作电容充电电路。 一般d c d c 变换器输出侧有一只滤波电容与负载并联。当变换器空载时，电路中不 接入r l ，滤波电容就可看作是变换器的负载，如图2 2 所示。 j i h c c o 卡r r l l 图2 2d c d c 变换器示意图 + u o d c d c 变换器投入电路运行瞬间，输出电压u o 为零，然后逐渐上升，在电路 达到稳态之前，u o 有一个建立的过程，这个过程就是d c d c 变换的暂态过程。暂态 脉冲型激光器供电电源研制第二章 过程的持续时间，与c o 的大小、流过滤波电感l o 的电流i o 的大小，以及变换器电 路结构有关。c o 越大，则持续时间越长；i o 越大，则持续时间越短。 本文所要论述的电容充电电路，实质就是一个空载的d c d c 变换器。电路的 负载，是一只容值较大的电容器，大容量的负载电容，使得输出电压的建立，需要经 过许多个开关周期才能完成，与通常意义的d c d c 变换器相比，电压建立过程要缓 慢得多。本论文的主要工作，是在充分比较几种电路结构基础上，选择其中一种作为 电容充电电路，然后合理设计电路参数，以便在给定的时间内，充分、高效地向负载 电容充电，使电容电压达到预定值。 二电路方案论证 根据电路运行特点及电容充电性能，可将电容充电电路分为电压型充电方式和 电流型充电方式两大类。电压型充电方式，指充电电路可以等效为电压源向电容充电。 这种方式里，充电电流的大小，受输出电压的影响很大，输出电压越高，充电电流 越小。电流型充电方式，指充电电路可以等效为电流源向电容充电。这种方式里，充 电电流的大小，基本上与输出电压无关。两种方式各有优缺点。以下是几种较典型 的充电电路，分别属于电压和电流型充电方式。 1 全桥定频电压方式 ( 1 ) 电路图及波形图 。_ 。v ，4 2 3 一 厂 少杈 ；： 卜 ；t 卜杉l! ； ； 州； ”“ 二二 一l k k ：】 轧 。一 【j 图2 3全桥定频电压方式 电路原理图及工作波形 图2 3 ( a ) 示出全桥定频电压方式主电路图，图中，变压器原边串接的电感l 为限流电感，四个i g b t 管组成逆变桥，工作时，对管t l 与t 4 ，或t 2 与t 3 同时 直立照窑堕苤厶鲎熊堂僮论塞 通断。变压器t 是升压变压器，将逆变桥产生的p w m 波幅值提升，再经整流桥d 5 d 8 整流后向电容充电。 ( 2 ) 电路优缺点 优点： a 控制简单。逆变桥四只功率开关管，对管同时导通、关断，只用一只两 路输出的p w m 芯片即可实现控制。而且，控制方式上可以采用开环控制。 b 功率管电压定额较低。图2 3 ( a ) 中，四只开关管承受的最高电压为直 流母线电压，变压器副边的四只整流二极管，承受的反压为输出电压u b ， 最大值为1 0 0 0 v ，较低的电压定额使得选管容易。 c 全桥电路可以实现大功率传输。 缺点： a 所用器件较多。储能电容充电电路共需要四只开关管、四只二极管、一 只限流电感和一只升压变压器。 b 全桥电路有“直通”的危险，一旦同一桥臂上的两只开关管出现直通， 将损坏开关管。 c 弯里墅皇鎏塑三堑垫墅：造选彗太一 ? 2 全桥变频电压方式 全桥定频方式中，变压器原边电流在充电周期开始时有很大的尖峰值。电流峰 值计算公式可由图2 3 ( a ) 直接得到： u ：丝 f i 。= _ l + f d ( 2 3 ) l 式中，t 0 n 为功率管导通时间，l 为串联电感量，主竺为输出电压折算至变压器 n 原边的值。 随着输出电压的上升，电流峰值逐渐降低，在充电周期后半段，电流峰值降得 很低。由于此电流流经功率管，因此，为保证能够通过充电前期较大的尖峰电流， 功率管的定额必须取得很大，而在其他时间段内，电流峰值较小，造成功率管定额 浪费。如果合理设计电路，使得整个充电周期内电流峰值近似相等，则可选取定额 较低的功率管。 ( 1 ) 电路图及工作波形 变频驱动方式的主电路图与定频方式完全相同，参见图2 3 ( a ) ，图2 4 示出其 路驱动波形和变压器原边电流波形。 图2 4 中，左边表示在充电周期开始时，开关频率较高，由于此时输出电压很 低，电流上升斜率较大。右边则为充电周期后半段，开关频率较低，功率管导通时 脉冲型激光器供电电源研制第二章 间变长，尽管电流上升斜率变小，仍能达到预定的峰值。 合理设计控制电路，使开差频奎艟验出电压随变化面变化，则可使得电流峰值 在整个充电周期里保持恒定，实现较好的充电效果。 图2 4 全桥变频方式波形图 ( 2 ) 电路优缺点， 优点：、 a 整个充电周期里，充电电流的幅值基本不变，与定频电压方式比较，可以 。譬凳篓蚤篙；。孑唧| j 绽局一之齿蟊妈死矗b 功率管电压定额较低。 、j f - “ 苫8 煮现大瓣传输。枷埘叫缺点： r 盘钐 a 控制复杂。 b 所用器件较多。 c 有功率管直通的危险。 d 磁性元件需按低频设计，体积较大。 e 电流为三角波形，谐波较大。 3 恒流充电方式 ( 1 ) 电路图及工作波形 在b u c k 变换器的滤波电感与滤波电容之间插入隔离变压器，则得到恒流充 电电路“1 ，图2 5 ( a ) 示出电路原理图，( b ) 图为其主要波形。 上 o 直立蓝窒蓝态厶主亟主堂篷监塞 ：li i ：i !：i1 _ _ - _ _ 。_ _ 。_ _ _ _ - _ _ 广i 广 _ ：；： 0 ；i 一一o ；i i；l o 卜_ i 卜、 卜1 卜t 1 卜t 一 ( b ) 图2 5恒流充电方式原理图及工作波形 开关s 1 以s 2 和s 3 的二倍开关频率动f # ，检测电感l 的电流i l 来调节s 1 的 占空比，控制i l 使其平均值恒定。s 2 和s 3 交替工作，但两管的占空比均略大于5 0 ， 两管间存在一小段同时导通的时间，为电感l 提供电流通道。若不这洋设置，一旦 两管间出现同时关断的情况，电感l 没有电流通道，将会感应出高电压，损坏功率 管。设置占空比大于5 0 ，还可降低开关管的关断电流应力。 ( 2 ) 电路优缺点 优点： 例汲n a 控制电感电流从而控制充电电流的平均值恒定，能够实现恒流充电。 b 迸一步提高开关s 1 的工作频率，可以减小电感电流的脉动。 缺点： a 变压器绕组多，原、副边共有三组绕组，绕制复杂，体积重量较大。原边 两组绕组交替工作，变压器利用率低。 b 电感电流变化曲线斜率受输出电压的影响很大，当输出电压升到较高值后， 电感电流上升缓慢而衰减很快，为使其平均值恒定，开关s 1 的占空比会很 大，这给控制电路的设计带来困难。 c 电路中应用三只功率管，有两套控制驱动电路，较为复杂。 d 功率管电压定额较高。 4 反激电流方式 ( 1 ) 电路图及工作波形 图2 6 为用反激电路实现电流型充电。结合图2 7 的波形，分析电路运行特性。 脉冲型激光器供电电源研制 第一章 d l 图2 6 反激充电电路原理图 协z 也汛也( 乙气 功率管导通期间，变压器原边电流i - 线性上升，绕组w 1 储存磁场能。功率管 关断时，磁场能通过绕组w 2 、二极管d l 向负载电容释放，变压器副边电流i 2 谐振 下降。充电周期前段，输出电压u o 很低，在功率管关断期间，i 2 下降很慢，到功率 管开通时刻，i ：未降到零。因此，i 1 不是从零开始上升，功率开关管有开通损耗，参 见图2 7 ( a ) 。充电周期后段，输出电压u o 较高，i 2 下降很快，在功率管关断期间已 降到零。因此，i 由零开始上升，在功率开关管上没有开通损耗，参见图2 7 ( b ) 。 厂厂 j； 二| _ - ， i h ，_ t 蚰! h “hji ( a ) il ； j ；，一 i t n ： 。 、n ： ： ：一， 扣吐， 曲 t o 。 i t 口l r 吨t 。 ： 图2 7反激充电电路工作示意图 ( a ) 充电初期 ( b ) 充电后期 ( b ) ( 2 ) 电路优缺点 优点： a 电路所用器件少。由图2 6 看出，只用一只开关管、一只二极管及一只变 压器，与图2 3 ( a ) 全桥方式比较，器件数量大大减少。 b 属电流型充电方式，变压器原边电流幅值大小与输出电压基本无关。 c 控制简单，驱动不需隔离。 缺点： a 功率管电压定额较高。 b 反激电路受变压器限制，只能传递中小功率。 5 串联谐振方式 ( 1 ) 电路图及工作波形 在全桥定频方式的电路图中，变压器原边电路里串入一只电容c 1 ，合理设计 电感l 1 与电容c l 的数值，令l l 与c 1 的串联谐振频率在功率管开关频率附近，则 组成串联谐振充电电路“1 。电路见图2 8 所示，图2 9 示出其主要波形。图中假设开 1 关频率f s 与谐振频率丘的关系是正 0 ： ： n 图2 1 4 电感量l 与输出电压u 。的关系曲线 l 的取值过大，输出电压将达不到要求值；取值过小，变压器原边电流的幅值 会很大，这样导致功率管的定额提高。设计时要兼顾二者。 善 j j l + 一 l c o = ： 图2 - 1 5 变压器副边放置限流电感 电感l 也可以放置在变压器副边， 电感量需按原副边折算规律改变： 乙：础= l 。 电路如图2 1 s 。为达到同样的充电效果 ( 2 1 2 ) 其中，n 为变压器副、原边变比。由上式知，若将电感放置在变压器副边，与 放置在原边相比，电感量需要增大n 2 倍。 电感放置在变压器副边，对电路工作性能没有影响，但对电感本身以及变压 器的参数设计，影响很大。除了电感量发生变化外，电感和变压器承受的电压值也 发生变化，这关系到绕组匝数的确定，以及绝缘、耐压设计。如对电感，图2 1 5 中 接在变压器副边，承受的最高电压为n u i ，而在图2 3 中，电感接在变压器原边， 承受的最高电压只是u 。对变压器，图2 1 5 中，应按照原边绕组承受u ，进行设计， 而在图2 3 中，则按副边绕组承受u 。设计。具体参数设计将在后续章节内分析。 3厶 乙 n = 一如 订 j j 警量。 =z= 乙 墅塑箜婆些墅笙燮 一 4 开关频率f s 的影响 开关频率变化，同样影响充电电流，并最终影响输出电压的大小。以图2 1 6 的示意图来说明，( a ) 图示出在开关频率f s = 3 0 k h z 时，变压器原、副边电流i l 和 i 2 的变化曲线，( b ) 图为f s = 2 0 k h z 时的变化曲线。 i，一 一 一一 一一一一一一一一一一一一 l l i 一一、 一一一一一一一一一一、 ( a ) f s = o o k h 工 ( b l f s 自2 0 i 皿 图2 1 6 开关频率变化影响电流幅值 下面简单计算在两种开关频率下，经过相同时间( 5 0 us ) 后的电压上升量u 。 的大小，作一对比。为方便分析计算，作如下假设： ( 1 ) 起始时刻，两幅图所对应的u 0 值相等。设u 0 。m 1 ) = 2 0 0 v 。 ( 2 ) 电流i i 刚好在死区时间内减小到零。 ( 3 ) 两种频率下，所加的电源电压u 、变压器变比、限流电感量均相等，分 别为u i = 5 2 0 v 、n = n 2 ：n l = 3 、l = 1 5 0 u h ，负载电容容值c = l o o u f 。 ( 4 ) 占空比为o 4 5 ，即( a ) 图中t d l r = 1 6 7 us ，( b ) 图中t o f r = 2 5 u s 。 图2 1 6 ( a ) 中，充电电流i 2 的波形可分成六段，其中1 、3 、5 段为电流上升 阶段，根据式( 2 6 ) ，输出电压增量表达式为 峨，= 訾一訾 协 2 、4 、6 段为电流下降阶段，根据式( 2 1 1 ) ，对应的输出电压增量公式为 乩1 ) - 警 j 5 ) 其中i 。，按照式( 2 9 ) 计算。 将各种数据代入式( 2 一1 4 ) 、( 2 1 5 ) ，可计算出图2 1 6 ( a ) 对应的输出电压 u 。的增量。 u d = u o ( 1 ) + u o ( 2 ) + u o ( 3 ) + u d 4 ) + ( ，o 5 ) + ( 6 ) h b “ b 脉冲型激光器供皑皑源研制 第一二章 = 1 1 3 3 + o 1 2 6 + 1 1 3 2 + 0 1 2 6 + i 1 3 1 + o 1 2 6 = 3 7 7 4( v ) 同理，计算出图2 一1 6 ( b ) 对应的输出电压u 。的增量。 u o = u o ( ”+ u d ( 2 ) + u d ( 3 ) + u o ( 4 j = 2 5 5 + 0 2 8 3 + 2 5 4 5 + 0 2 8 3 = 5 6 6 l( v ) 比较结果，可知在开关频率低的情况下，输出电压上升较多。这是因为开关 频率降低后，功率管导通时间变长，电流i ，的幅值增加，经整流后，得到的充电电 流i 2 也增大，相同时间内i 2 曲线对时间的积分增加，从而使得u o 的上升增多。不难 验证，图2 1 6 ( b ) 中，i 2 曲线与时间轴所围面积，大于( a ) 图中所围面积。 图2 一1 7 示出开关频率f s 与输出电压u 。的关系曲线。图中，横坐标表示开关 频率f s ，纵坐标表示在l = 1 5 0 uh ，n = n 2 ：n 【= 3 ：1 。输入交流电源电压为3 8 0 v 时 的输出电压能够达到的峰值。 2 茗 鼍 ： j 7 i 图2 一1 7开关频率f s 与输出电压u 0 的关系曲线 经过上述分析计算，确定最优化参数如下： n = n 2 ：n 1 = 3 ；l = 1 5 0 u h ；f s = 2 0 k h z 。 四变压器参数设计“” 1 选取铁心材料和铁心结构型式 选用r 2 k b 铁氧体材料制成的p m 系列铁心，铁心饱和磁感应强度3 5 0 0 g s 。 2 确定工作磁感应b m 由前面分析知，变压器上施加的电压，是在副边整流二极管导通时的输出电压。 由于四只整流二极管交替导通，输出电压是以正负交替的形式加在变压器上，因此变 压器铁心工作在第一类工作状态，即双向磁化状态。磁感应在士b m 之间变化，铁心 利用率高，b m 值可取得较大，取b m = 2 0 0 0 g s 。 3 计算铁心型号 计算所需铁心的s q 值 跑2 万面赫州0 8 。1 6 取k c = 1 ，k u = o 3 ，j = 3 5 0 a 止m ，q = o 8 ，又p o = 2 k w ，f = 2 0 k h z 。 姗q = 丽丽蒜器备忑丽毛9 7 6 c m 4 查手册选得p m 8 7 铁氧体铁心s = 7 3 2 5 c m 2 q = 8 4 9 6 c m 2 s q = 6 2 2 3 3 c m 4 p m 8 7 型铁心的s q 值大于计算值，选定该铁心型号。 4 计算绕组匝数 变压器匝数应能保证在输出电压为最高值时，铁心不致饱和。输出电压最大值 为1 0 0 0 v 。 j v ，：丝坚：& 。l o s ：! ! ! ! ：丝：! ：! 贮。1 0 s ：7 6 8 ( 2 1 7 ) 。 2 b 研s2 2 0 0 0 7 3 2 5 取n 2 = 7 8 ，而变压器变比n = n 2 ：n l = 3 。 因此，。：彳：2 6 。 5 计算导线线径 由前可知，充电电流i 2 的波形为三角波，在一个充放电周期里，i 2 幅值的包络线 见图2 1 8 所示。为计算简便，近似认为包络线线性变化。 图2 1 8 中，t c f 为充放电周期，t 。h 。为充电时间，对应于每秒4 0 次充放电，有 t c f = 2 5 m s ，t c h a = 1 9 m s 。 o 图2 1 8 充电电流i 2 幅值包络线 ( 1 ) 计算充电电流平均值 若是恒定电流k 。对电容充电，则电容电压上升表达式为 踟= 吉广k 出= 吉l 。 ( z 舶) 脉冲型激光器供电电源研制第一二苹 将u o = 1 0 0 0 v ，c = 1 0 0 uf ，t 。h 。= 1 9 m s 代入，得 ，。：坚：! 塑! 塑罂- 5 2 6 ( a ) ( 2 - 1 9 ) 。一。i 2 赢萨2 6 皑“圳 上式计算得到的i c 0 。即是充电电流i 2 在整个充电时间段内( 0 1 9 m s ) 的平均值。 ( 2 ) 计算充电电流的平均有效值 充电电流i 2 波形呈三角形，在整个充电周期里，其幅值逐渐衰减。设在中间某 一周期时，波形幅值为充电周期里的平均值，见图2 1 9 。图中，三角波的幅值1 2 。= 2 i 。 = 1 05 2 a 。 1 2 工2 m 图2 1 9 充电电流i ! 平均值波形示意图 根据有效值定义，图2 1 9 所示三角波形的有效值为 ，= j 扣1 2 西 = 厢事面再i 万 = 仔：。= 后圳s z 姐，c a ， ( 2 2 0 ) 上式计算得到的有效值i ，是在整个充电时间段内( o t c h 。) 充电电流i 2 的平 均有效值。而整个充放电周期里( o l f ) ，i 2 的有效值 扣孥。= 器馗斛( a ) ( 2 - z ，) 流过变压器副边n 2 的电流有效值，即是计算得到的i2 。 ( 3 ) 计算导线线径 变压器原边电流有效值 ，i = 詈，2 = 3 4 6 4 = 1 3 9 2 ( a ) 取导线的电流密度j _ 3 5 i n m 2 ，分别计算出n l 及n 2 的导线截面积 直i 些窒鸯些篓堡兰燮 s ，钐3 9 5 d 9 8 ( 蚴2 ) s 。2 = 。= 4 6 必5 “3 3 ( m m 2 ) 考虑集肤效应，工作频率为2 0 k h z 时，导线线径不能大于2 o 4 6 7 3 20 9 3 4 6 m m 。查阅国产漆包线标准规格，选取标称直径o 5 m m 的漆包线为原边绕组导线，该 型漆包线线芯截面积o 1 9 6 3 m m 2 ，外径0 5 6 r m ，线体截面积o 2 4 6 2 n u n 2 。用2 1 股并 绕，线芯总截面积4 1 2 m m 2 。 副边绕组也选用标称直径o 5 m m 的漆包线，用7 股并绕，线芯总截面积 13 7 m m ! 。 6 校核铁止，窗口面积 k 。=当：型。兰! ；：些：! ! ! ! ：! 兰堡! 堑! ! ! ：丝坚：! ! ：o 3 1 6 ( 2 2 2 ) q 8 4 9 6 说明绕组能绕得下，设计计算完成。 五电感参数设计 1 选取铁心材料和铁心结构型式 选用r 2 k d 铁氧体利料制成的p m 系列铁心，铁心饱和磁感应强度4 7 0 0 g s 。 2 确定工作磁感应b m 由前面分析知，施加在电感l 两端的电压，是正负交替的脉冲电压，电感铁心 工作在第一类工作状态，即双向磁化状态。磁感应在士b m 之间变化，铁心利用率高。 为防止铁心瞬态饱和，b m 值取得稍低，取砌z = 2 2 0 0 国。 3 计算铁心型号 计算所需铁心的s q 值 s q = 万丽鲁丽瓦赳0 8 取k c = 1 ，k u = 0 3 ，j = 3 5 0 c m ，n = o 8 ，又p o = 2 k w ，f 2 2 0 k h z 。 郧q = 蕊瓣蒜糕书卯c m 4 查手册选得p m l l 4 铁氧体铁心s = 1 4 2 8 6 c m q = 5 6 7 c m 2 s q = 8 l o c n l 4 p m l l 4 型铁心的s q 值大于计算值，选定该铁心型号。 4 计算绕组匝数 坠鲨里堂堂堂堡皇皇塑竺型兰三兰一一 电感匝数应能保证在电感在其两端电压为最高值时，铁心不致饱和。由前面分 析知，在充电开始的第一个开关周期里，输出电压为零，此时电感承受最高电压u i ， 考虑输入交流电压的最大允许变化量3 8 0 v 士1 0 ，计算时应代入值u i m 。= 5 7 2 v 。 ：丝! 坚：玉。1 0 s ：i ! ! ：丝：i ：! 坚。l o s ：2 0 5 2 b 埘s2 2 2 0 0 1 4 2 8 6 确定n = 2 i 。 5 计算气隙长度 j 。丝尘：l o s l 式中“o = o 4 兀g s ，a c m ，l = 1 5 0 “h 。计算得 j ：! ：! ：! ! ! ! ：! ! ! ：墅。l o 一：5 3m m 1 5 0 1 0 - 口 上面计算得到的6 值是近似值，电感制成后需作适当调整。 6 计算导线线径 电感与变压器原边绕组串联，流过相同电流。因此可选用相同规格的导线，即 选取标称直径0 5 m m 的漆包线2 】股并绕。 7 校核铁心窗口面积 k ：互型：! ! ! ! ：坐! ：! ! ：o 1 9 l ” q 5 6 7 说明绕组能绕得下，设计计算完成。 六开关管和高压整流二极管选择 1 高压整流二极管选择 ( 1 ) 二极管电流定额 二极管额定正向平均电流定义：在指定壳温、规定的散热条件下，二极管流过 的工频正弦半波的平均电流。选用二极管时按照有效值相等条件确定二极管定额。电 路中，流过任一只整流二极管的电流为变压器副边电流的一半，波形呈三角波，整个 充电周期里，其幅值逐渐衰减。图2 2 0 示出其电流平均波形，以该平均波形来计算 二极管的电流定额。 壁翌墅垡尘塑垡童堡堡垒 一 i d 工2 。 t 图2 2 0 整流二极管平均电流波形示意图 图2 2 0 所示波形的平均值为 l = 去f 似= 圭k = 圭s z s = z 硒c a ) c z 琊， 式中i 。为平均充电电流，其值在“变压器设计”部分里已计算出。 波形的有效值为 ，女=洁l i 知 = j 吉枷s z “s c a ，c z 捌， 按照有效值相等的原则，将计算得到的i k 折合成等效的正弦半波电流平均值来 选择二极管额定电流值。再考虑2 倍的安全裕量，计算二极管的电流定额 ，：2 土：2 竺：5 1 ( a ) ( 2 2 5 ) 1 5 71 57 ( 2 ) 二极管电压定额 二极管的额定电压，即反向重复峰值电压，定义为二极管工作时所能施加的 反向最高峰值电压。 电路中，二极管所承受的最高电压，是储能电容的最高充电电压1 0 0 0 v ，考虑 一定的安全裕量，选取耐压1 6 0 0 v 的二极管。 经查手册，y sd s l 3 0 1 6 a 型功率二极管的额定电压1 6 0 0v ，额定电流3 0 a ，符合使用要求。该型二极管的其他参数：反向不重复峰值电压1 7 0 0 v ，最大脉冲 电流3 0 0 a ，工作温度_ 4 5 。c + 1 5 0 。c 。 2 功率开关管选择 直流母线电压最大值为：u 。= 1 _ 3 5 u a c 。= 1 3 5 4 1 8 = 5 6 4 v 。 流过开关管的电流即流过变压器原边的电流。由前面计算已知，有效值为 1 3 9 2 a ，电流最大峰值为i 。= 半= 堑睾等= 8 4 6 a 坠苎型堂垄堡垡皇皇堡塑型星兰兰 选取c t 6 0 a m 一2 0 型i g b t 管作为电路的主功率管，该型号功率管的集电极一 发射极耐压v 。= 1 0 0 0 v ，集电极电流i 。= 6 0 a ，脉冲电流i 。= 1 2 0 a ( 1 m s ) ，符合使 用要求。 第四节仿真和实验结果 一仿真波形 用p s i m 软件对全桥定频充电电路作了仿真，以下是几幅仿真波形。 1 充电整体波形 图2 2 l 充电整体仿真波形 ( a )u i = 3 8 0 v ( b ) u i = 3 4 2 v ( 3 8 0 v 1 0 ) ( c )u i = 4 1 8 v ( 3 8 0 v + 1 0 ) 仿真参数：c o = 1 0 0 uf ， l = 1 5 0 ph ，蠡= 2 0 k h z ，d = o 4 5 ，n = 3 。 图2 2 1 中，( a ) 、( b ) 、( c ) 三图分别表示在交流输入电源电压为额定值3 8 0 v 、 允许波动的下限值3 4 2 v ( 3 8 0 v 1 0 ) 以及允许波动的上限值4 1 8 v ( 3 8 0 v + 1 0 ) 时， 变压器原边电流i