YAG脈沖激光電源硬件電路的設(shè)計(jì)

摘要：深入分析了YAG脈沖激光電源的工作原理，根據(jù)氙燈特殊的電氣特性，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件程序。采用MOSFETS場(chǎng)效應(yīng)管半橋逆變器，以SG3525為驅(qū)動(dòng)的PWM技術(shù)的電源設(shè)計(jì)，針對(duì)氙燈泵浦YAG激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)源的要求，研制了YAG脈沖激光電源，并提高了開(kāi)關(guān)頻率，大大減小了電源的體積和重量。電源在實(shí)際運(yùn)行中穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：氙燈；PWM；半橋逆變器；場(chǎng)效應(yīng)管

    YAG激光器是一種固體激光器，它的電源是YAG激光器系統(tǒng)的重要組成部分。YAG激光器采用氙燈作為泵浦源，因此必須具有一臺(tái)與其相適應(yīng)的氙燈供電電源。對(duì)于該激光器電源來(lái)說(shuō)，它的負(fù)載是脈沖氙燈，當(dāng)氙燈內(nèi)有脈動(dòng)大電流流過(guò)時(shí)，脈沖氙燈進(jìn)行弧光放電，則YAG激光器的工作物質(zhì)一摻釹釔鋁石榴石晶體吸收0．7～0．9 μm范圍內(nèi)的光能而形成受激輻射，從而發(fā)出激光。
    為了點(diǎn)燃脈沖氙燈，必須具有氙燈的觸發(fā)電路、儲(chǔ)能電容器的充電電路、以及儲(chǔ)能器的放電電路，從而組成一個(gè)完整的激光器電源電路。

1 激光電源整體設(shè)計(jì)方案
    在仔細(xì)分析了YAG激光電源的工作原理和它在使用過(guò)程中對(duì)電源提出的具體技術(shù)指標(biāo)后，可提出以下的大致電路總體設(shè)計(jì)方案，并以框圖的方式表示，如圖1所示。

    整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)單元的設(shè)計(jì)是圍繞著總體設(shè)計(jì)方案展開(kāi)的。對(duì)其中重要的、對(duì)技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)有較大影響的單元，有必要進(jìn)行方案的分析、對(duì)比、篩選，以及深入的理論分析。

2 激光電源的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 SG3525 PWM控制器及其外圍電路
    由電源24 V供電，經(jīng)過(guò)LM7812穩(wěn)壓至12 V，從而作為SG3525的供電電源，變壓器的電源為電源直接引出24 V，進(jìn)行升壓操作。LM7812最大輸出電流為1 A，如下圖所示。

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    目前各種PWM器件很多，可用分離元件直接搭成，例如用單結(jié)晶體管。也可利用集成電路芯片，常用的如7 494，3524，3 525等，此電路的目的是產(chǎn)生全橋逆變器所需要的相位相差180°的兩組觸發(fā)信號(hào)。本節(jié)就SG3525為例，闡述該信號(hào)的產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)。
    SG3525A允許8～35 V的寬范圍工作電壓，可輸出可調(diào)頻率、脈寬可調(diào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)f=1／(C(0．7RT+3RD))，并可進(jìn)行正負(fù)脈沖間死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行封鎖等功能。特別適合于全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。
    PWM技術(shù)逆變電源的核心技術(shù)。本文著重介紹了一種實(shí)際中針對(duì)YAG激光系統(tǒng)逆變電源的控制方案，并在實(shí)踐中得到進(jìn)一步驗(yàn)證，并且借助該方案，如圖3所示。

2．2 高頻變壓器的計(jì)算
    1)功率容量的估算按照式150 W，70 kHz開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)功率容量為：
   
    式中，PT-電源的額定輸出功率；η-電源的效率，這里取0．92；f-開(kāi)關(guān)頻率70 kHz；Bm-最大磁通密度，這里選取1000 GS；δ-線圈導(dǎo)線的電流密度；Km-窗口的填充系數(shù)，這里取0．5；Kc-磁芯的填充系數(shù)，這里取Kc=1．0；
    計(jì)算出Ap選用罐型PC40破芯符合尺寸要求，則有效截面積為：

    代入式(5)中得出Ns=260．6，取261匝。原副邊匝數(shù)比，n=0．03。[!--empirenews.page--]
    4)線圈中電流的計(jì)算與選擇繞組導(dǎo)線
    初級(jí)線圈峰值電流
   
    則有最大繞線直徑。
2．3 過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    電壓高功率小電流只需要采用過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)電路是為了防止儲(chǔ)能電容器上充電過(guò)高而損壞電容器，并且單次放電能量過(guò)大，達(dá)到氤燈的爆炸功率，而損壞氙燈或激光器。具體電路如下圖。

    此過(guò)壓保護(hù)電路較簡(jiǎn)單，電壓取樣經(jīng)跟隨器輸入到比較器的同相端，當(dāng)取樣信號(hào)超過(guò)限定值時(shí)，比較器輸出高電平到控制器的外部中斷引腳，并立刻響應(yīng)中斷，向SG3525發(fā)出高電平對(duì)逆變器封鎖。C7和R15組成濾波網(wǎng)絡(luò)消除電壓取樣信號(hào)中的毛刺，防止保護(hù)電路誤動(dòng)作。LED3是過(guò)電壓指示。[!--empirenews.page--]
2. 4 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)
    本文采取的觸發(fā)電路如圖5所示。

    C9從R14兩端分的電壓，當(dāng)VQ3觸發(fā)高電平時(shí)候，C9瞬間放電，觸發(fā)端出現(xiàn)4 000～6 000 V的高壓，使氙燈電離，氙燈內(nèi)阻很低，同時(shí)儲(chǔ)能電容器放電，氙燈發(fā)光。
    可控硅元件的工作原理：由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開(kāi)關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，如表1所示。

    采用的可控硅為：CR20AM，最大導(dǎo)通電流IT=20 A，擊穿電壓VDRM=800 V，維持電流IGI=50 mA。其他的硬件電路圖就不一一介紹。

3 結(jié)果與分析
    根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試，電源尺寸為7．8 cmx4．5 cm，達(dá)到小型化的要求，通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，激光器電源工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了對(duì)電源提出的各項(xiàng)指標(biāo)。表2列出了當(dāng)儲(chǔ)能電容器為30μF時(shí)，該電源充電電壓最高為1 200 V時(shí)，最高放電次數(shù)為20次／秒。