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)計了硬件電路和軟件程序。采用MOSFETS場效應管半橋逆變器，以SG3525為驅(qū)動的PWM技術(shù)的電源設(shè)計，針對氙燈泵浦YAG激光器對驅(qū)動源的要求，研制了YAG脈沖激光電源，并提高了開關(guān)頻率，大大減小了電源的體積和重量。電源在實際運行中穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：氙燈；PWM；半橋逆變器；場效應管
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，因此必須具有一臺與其相適應的氙燈供電電源。對于該激光器電源來說，它的負載是脈沖氙燈，當氙燈內(nèi)有脈動大電流流過時，脈沖氙燈進行弧光放電，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。
為了點燃脈沖氙燈，必須具有氙燈的觸發(fā)電路、儲能電容器的充電電路、以及儲能器的放電電路，從而組成一個完整的激光器電源電路。
1 激光電源整體設(shè)計方案
在仔細分析了YAG激光電源的工作原理和它在使用過程中對電源提出的具體技術(shù)指標后，可提出以下的大致電路總體設(shè)計方案，并以框圖的方式表示，如圖1所示。
整個系統(tǒng)的各個單元的設(shè)計是圍繞著總體設(shè)計方案展開的。對其中重要的、對技術(shù)指標實現(xiàn)有較大影響的單元，有必要進行方案的分析、對比、篩選，以及深入的理論分析。
2 激光電源的硬件電路設(shè)計
2．1 SG3525 PWM控制器及其外圍電路
由電源24 V供電，經(jīng)過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，進行升壓操作。LM7812最大輸出電流為1 A，如下圖所示。
[!--empirenews.page--]
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。本節(jié)就SG3525為例，闡述該信號的產(chǎn)生及驅(qū)動。
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)動信號f=1／(C(0．7RT+3RD))，并可進行正負脈沖間死區(qū)時間調(diào)節(jié)，對輸出脈沖進行封鎖等功能。特別適合于全橋逆變器的驅(qū)動信號控制。
PWM技術(shù)逆變電源的核心技術(shù)。本文著重介紹了一種實際中針對YAG激光系統(tǒng)逆變電源的控制方案，并在實踐中得到進一步驗證，并且借助該方案，如圖3所示。
2．2 高頻變壓器的計算
1)功率容量的估算按照式150 W，70 kHz開關(guān)電源的設(shè)計功率容量為：
式中，PT-電源的額定輸出功率；η-電源的效率，這里取0．92；f-開關(guān)頻率70 kHz；Bm-最大磁通密度，這里選取1000 GS；δ-線圈導線的電流密度；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)線圈中電流的計算與選擇繞組導線
初級線圈峰值電流
則有最大繞線直徑。
2．3 過壓保護電路設(shè)計
電壓高功率小電流只需要采用過壓保護過壓保護電路是為了防止儲能電容器上充電過高而損壞電容器，并且單次放電能量過大，達到氤燈的爆炸功率，而損壞氙燈或激光器。具體電路如下圖。
此過壓保護電路較簡單，電壓取樣經(jīng)跟隨器輸入到比較器的同相端，當取樣信號超過限定值時，比較器輸出高電平到控制器的外部中斷引腳，并立刻響應中斷，向SG3525發(fā)出高電平對逆變器封鎖。C7和R15組成濾波網(wǎng)絡(luò)消除電壓取樣信號中的毛刺，防止保護電路誤動作。LED3是過電壓指示。[!--empirenews.page--]
2. 4 觸發(fā)電路設(shè)計
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VQ3觸發(fā)高電平時候，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，同時儲能電容器放電，氙燈發(fā)光。
可控硅元件的工作原理：由于可控硅只有導通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(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，進行整機安裝調(diào)試，電源尺寸為7．8 cmx4．5 cm，達到小型化的要求，通過實際測試發(fā)現(xiàn)，激光器電源工作穩(wěn)定可靠，達到了對電源提出的各項指標。表2列出了當儲能電容器為30μF時，該電源充電電壓最高為1 200 V時，最高放電次數(shù)為20次／秒。
下載文檔
