全橋型IGBT脈沖激光電源原理與性能分析

　　　1引言

　　近年來(lái)，高功率Nd：YAG固體激光器已廣泛用于工業(yè)加工領(lǐng)域和醫(yī)療儀器領(lǐng)域，如材料加工、激光測(cè)距、激光打標(biāo)、激光醫(yī)療、激光核聚變等。與氣體激光器或其他激光器（如化學(xué)激光器，自由電子激光器等）相比，固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行方式多樣，可在脈沖、連續(xù)、調(diào)Q及鎖模下運(yùn)行。

　　2原理框圖

　　本文介紹的激光電源為工作于重復(fù)脈沖方式的固體激光器提供電能。該激光器采用氙燈作泵浦光源，在惰性氣體燈中，氙氣的總轉(zhuǎn)換效率最高。激光器用于激光打標(biāo)，工作頻率每秒60次。電源系統(tǒng)采用IGBT管全橋逆變方式，工作頻率為20kHz，控制電路采用PWM方式。

圖1原理框圖

　　圖1示出電源原理框圖，整個(gè)電路可分為主電路（電力變換電路）和控制電路兩大部分。來(lái)自電網(wǎng)的380V交流電壓經(jīng)整流濾波后得到約520V左右的直流電壓，加到橋式逆變器上。逆變器主功率開(kāi)關(guān)采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM電路產(chǎn)生一對(duì)相位互差180°的脈沖電壓控制逆變橋的四個(gè)功率管，將直流電壓變換為高頻方波電壓，再經(jīng)高頻高壓整流橋得到高壓直流（約1400V），向儲(chǔ)能電容Co充電。電容Co上電壓充到預(yù)定值（1000V）后，控制電路發(fā)出信號(hào)，將放電晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，Co上電壓快速向負(fù)載氙燈釋放，激光器正常工作。

　　預(yù)燃觸發(fā)電路針對(duì)負(fù)載氙燈特性而設(shè)，該型激光器要求先通入近兩萬(wàn)伏的高壓脈沖，將其內(nèi)部擊穿，再維持較低的連續(xù)電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續(xù)放電狀態(tài)下正常工作。因此，電源的工作步驟應(yīng)是：開(kāi)機(jī)——預(yù)燃觸發(fā)——電容放電。

　　3工作原理及仿真波形

　　圖2示出電源主電路，V1—V4組成橋式逆變器，兩端并聯(lián)RCD吸收支路，L為限流電感，Co為儲(chǔ)能電容，Lo用于限制Co對(duì)負(fù)載氙燈的放電電流，保護(hù)氙燈。

圖2主電路圖

　　與文獻(xiàn)1中介紹的激光電源不同，此處將限流電感L放在變壓器原邊。這除了能實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開(kāi)通外，例如在V1，V4關(guān)斷后，由于L的續(xù)流作用，D2，D3導(dǎo)通，則V2，V3可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通;還可分擔(dān)變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數(shù)，進(jìn)而減小變壓器磁心。

　　圖3為利用PSPICE軟件對(duì)圖2仿真的結(jié)果。圖中上部為變壓器原邊繞組電流i1，下部為輸出電壓Uo。

圖3仿真波形

　　仿真參數(shù)：開(kāi)關(guān)頻率f=20kHz，

　　死區(qū)時(shí)間t=2μs，

　　L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60

　　C0=100μF。[!--empirenews.page--]

　　4設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　電源系統(tǒng)中，電感L與高頻變壓器T的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。從圖2看出，逆變電路的負(fù)載只有電感L及變壓器T的原邊，當(dāng)功率管導(dǎo)通，直流電壓Ui加于圖4所示位置時(shí)，電感上電壓為Ui－UT1，則變壓器原邊電流i1=（Ui－UT1）t/L

圖4計(jì)算電路

　　式中，UT1為輸出電壓Uo（高壓整流橋?qū)〞r(shí)就是UT2）折算到變壓器原邊的值，UT1=U0/n，n為變壓器副、原邊匝比，又△Uo=（1/C0），

　　i2=i1/n

　　考慮到輸出電壓在逐步上升，而電流i1的幅值在不斷下降，計(jì)算過(guò)程應(yīng)該是一個(gè)迭代過(guò)程。

　　i1（m）=［Ui－U0（m－1）/n］t/L

　　U0（m）=U0（m－1）＋△U0（m）=U0（m－1）＋（1/C0）（i1（m）/n）dt

　　=U0（m－1）＋Uit2/2CLn－U0（m－1）t2/2CLn2

　　其中，t為半個(gè)周期，開(kāi)關(guān)頻率f為20kHz時(shí)，t=25μs；C0=100μF；L為限流電感電感量。

　　根據(jù)負(fù)載特性，最大工作頻率為60Hz，即儲(chǔ)能電容在1秒鐘內(nèi)放電60次，周期為16.7ms。考慮放電時(shí)間，則充電時(shí)間最多只有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

　　用MATLAB對(duì)上式進(jìn)行計(jì)算，并繪出不同的L值、不同的n值、不同的直流電壓Ui（Ui有一允許變化范圍）情況下，電容電壓U0的上升曲線。從中選取最佳方案，最終確定參數(shù)如下：

　　L=100μH

　　n=N2：N1=60：24

　　圖5中，橫坐標(biāo)表示變壓器副邊繞組匝數(shù)N2，縱坐標(biāo)表示輸出電壓U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60時(shí)，輸出電壓U0為峰值。

圖5MATLAB計(jì)算最佳變比

　　5試驗(yàn)結(jié)果

　　圖6為實(shí)測(cè)波形，（b）圖示出（a）圖的前幾個(gè)周期。圖中上部是變壓器原邊電源i1波形，下部是儲(chǔ)能電容U0的電壓波形，與圖3仿真波形對(duì)應(yīng)。由圖中看出，i1為零后，U0并未立刻下降，而是保持一段時(shí)間，這是因?yàn)槌浞烹姇r(shí)間固定的緣故，當(dāng)U0達(dá)到預(yù)定值后保持至充電時(shí)間終了。

圖6實(shí)驗(yàn)波形