基于逆變器輸出串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的氦氖激光器高壓電源

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種逆變器輸出串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的氦氖激光器高壓電源，并對(duì)電壓電流雙環(huán)控制策略進(jìn)行了討論。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該氦氖激光器高壓電源滿足了激光管點(diǎn)亮和正常工作的要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)流，在激光管加速壽命實(shí)驗(yàn)中有著重要的意義。
關(guān)鍵詞： 氦氖激光器高壓電源；輸出串聯(lián)；電壓電流雙環(huán)控制

氦氖激光器在精密計(jì)量、準(zhǔn)直、導(dǎo)航、全息照相、通信、激光醫(yī)學(xué)等方面有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)不斷擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域，激光器使用壽命就愈發(fā)顯得重要。在激光器加速壽命試驗(yàn)中，激光管電流的穩(wěn)定是數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的重要保證。而激光管的電流能否穩(wěn)定關(guān)鍵在于電源的輸出能否穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的He-Ne激光器電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少、耐沖擊性高，但其所使用的變壓器仍是工頻變壓器，體積大、不易攜帶，并且易受外界干擾，不適合長(zhǎng)時(shí)間工作；參考文獻(xiàn)[2]提出的一種新穎的He-Ne激光器電源，采用變壓器進(jìn)行升壓，通過電阻分壓的方式降低激光管兩端的電壓，電源效率低；參考文獻(xiàn)[3-4]所提出的激光電源電路采用高頻變壓器和倍壓整流電路共同作用產(chǎn)生氣體激光器的擊穿電壓，但是其輸出電壓穩(wěn)定性及帶載能力都差。
本文所設(shè)計(jì)的氦氖激光電源采用兩個(gè)半橋逆變器輸入、并聯(lián)輸出串聯(lián)的方式為激光器提供擊穿電壓，單個(gè)逆變器可為激光管提供正常工作的電壓，采用電壓電流的雙環(huán)控制策略使得激光管輸出電流穩(wěn)定。
1 電路設(shè)計(jì)與工作原理
高壓直流輝光放電激勵(lì)是氦氖激光器的主要激勵(lì)方式，為了使激光管進(jìn)入正常的輝光放電狀態(tài)，其兩端的電壓必須達(dá)到擊穿電壓。激光管擊穿后，電源還應(yīng)該能保證放電管正常的工作電壓和電流。對(duì)于250 mm氦氖激光管，其擊穿電壓約為5 kV，正常工作電壓約為1 800 V。氦氖激光高壓模塊電源的功率電路和采集反饋回路如圖1所示。

圖中C10、C11、VT1、VT2和T1構(gòu)成半橋逆變器1；C12、C13、VT3、VT4和T2構(gòu)成半橋逆變器2。兩個(gè)半橋逆變電路采用輸出串聯(lián)[5]的方式提供激光管的擊穿電壓，繼電器K1控制半橋逆變器2的工作。電路開始工作時(shí)，控制繼電器K1閉合，此時(shí)兩個(gè)半橋逆變器同時(shí)工作，其輸出經(jīng)過整流濾波后，再串聯(lián)為激光管提供擊穿電壓。當(dāng)激光管點(diǎn)亮后，控制繼電器K1斷開，半橋逆變器2停止工作，半橋逆變器1的輸出經(jīng)過二極管支路為激光管提供正常工作的電壓。當(dāng)電路中的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，采集電路采集的電流信號(hào)反饋給控制電路，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比使得激光管工作保持穩(wěn)定。
2 電壓電流雙環(huán)控制策略
由圖1可知，本文所設(shè)計(jì)的氦氖激光電源采用了電壓電流雙環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)采集的是電感電流，將逆變器、變壓器和整流濾波看成一個(gè)DC-DC變換器，因此圖1可以等效為圖2的形式。

雙環(huán)控制分為電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制，其中電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。vCP為電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出，GM(s)為PWM傳遞函數(shù)，Gid(s)為變換器的傳遞函數(shù)，GC(s)為電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，RS為電流采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，從而可得電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

電壓外環(huán)控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

所設(shè)計(jì)的激光電源參數(shù)為：開關(guān)頻率fs=100 kHz，逆變器輸入電壓為200 V～310 V，變壓器匝數(shù)比1:20。激光管正常工作時(shí)，電路輸出為1 800 V。電路輸出電流io=6 mA，電感L1=L2=10 mH，輸出電容為C14=C15=220 μF，采樣電阻RS=10 Ω，電流為6 mA時(shí)，負(fù)載電阻為300 kΩ，PWM波峰峰值為20 V。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]可知，半橋逆變器可以等效成BUCK變換器。電流和電壓的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均采用單極點(diǎn)-單零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)[7]。電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的波特圖如圖5所示。

曲線1為電壓電流雙環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)，曲線2為電壓電流雙環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。從曲線1可知，雙環(huán)控制時(shí)，其穿越頻率為4.32 kHz，在這個(gè)頻率下，控制系統(tǒng)的相位裕度達(dá)到了65°,幅值裕度也大于0，因此雙環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。在含有電流內(nèi)環(huán)控制的系統(tǒng)中，無論是輸入輸出的波動(dòng)都會(huì)引起電感電流或者功率開關(guān)管的變化，通過電流反饋信號(hào)使得控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會(huì)像電壓?jiǎn)苇h(huán)控制型那樣等到電壓變化才起到控制調(diào)節(jié)作用。在雙環(huán)控制系統(tǒng)中，電流控制環(huán)的控制對(duì)象為一階積分或者近似為一階積分環(huán)節(jié)，所以電流控制環(huán)有很好的穩(wěn)定性。由于電流控制環(huán)的等效功率級(jí)電路是電壓控制環(huán)的控制對(duì)象(這是一個(gè)單極點(diǎn)型控制對(duì)象)，因此相位裕度大，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
3 電路仿真與驗(yàn)證
利用Multisim 10仿真軟件對(duì)硬件電路進(jìn)行仿真，電路采用電壓電流雙環(huán)控制的模式，電壓和電流的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均采用單極點(diǎn)-單零點(diǎn)的方式[7]，其電源電壓輸出波形如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，電源的輸出電壓波形可以滿足激光管點(diǎn)亮與正常工作的要求，說明硬件電路設(shè)計(jì)滿足激光管的要求。電源電路的輸出電壓從0 V上升到5 000 V左右只需要40 ms的時(shí)間，上升過程相當(dāng)快。到達(dá)5 000 V左右后，維持60 ms的時(shí)間，這個(gè)過程用來點(diǎn)亮擊穿激光管。然后輸出電壓立即下降到1 800 V左右，達(dá)到激光管的正常工作電壓。當(dāng)激光管正常工作、電源輸出電壓穩(wěn)定后，如果負(fù)載減少一定值，從圖6（b）可以看出電流有波動(dòng)，但是很快就穩(wěn)定了,電流穩(wěn)定后與前一穩(wěn)態(tài)的值相比誤差很小，說明該激光電源能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)流。
4 實(shí)驗(yàn)
制作了一個(gè)原理樣機(jī)，開關(guān)管使用IRFP460，其耐壓達(dá)到500 V，最大電流為20 A；PWM芯片選用SG3525,驅(qū)動(dòng)芯片使用IR2110。對(duì)250 mm的氦氖激光管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中串聯(lián)一個(gè)電流表。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光管點(diǎn)亮后延遲了很短時(shí)間，電流表的讀數(shù)從12 mA跳到6 mA左右，并保持穩(wěn)定。當(dāng)增加或者減少負(fù)載時(shí)，電路中的電流有一個(gè)小的波動(dòng)，但是很快就穩(wěn)定了，這表明該款電源的確能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)流，說明了理論分析的正確性。
通過對(duì)激光器電源性能要求的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于半橋逆變器輸出串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的氦氖激光器高壓電源，并對(duì)電壓?jiǎn)苇h(huán)控制和電壓電流雙環(huán)控制兩種控制策略進(jìn)行了討論和比較，最后得出了電壓電流雙環(huán)控制更利于激光器穩(wěn)定工作的結(jié)論。與其他電源相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方式容易、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于氦氖激光管加速壽命試驗(yàn)中有重要意義。
參考文獻(xiàn)
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