【導讀】本文介紹的IGBT脈沖激光電源，為工作于重復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，氙氣的總轉換效率最高。
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)域和醫療儀器領(lǐng)域，如材料加工、激光測距、激光打標、激光醫療、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，固體激光器具有結構緊湊、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)，其運行方式多樣，可在脈沖、連續、調Q及鎖模下運行。
1、原理框圖
本文介紹的激光電源為工作于重復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，氙氣的總轉換效率最高。激光器用于激光打標，工作頻率每秒60次。電源系統采用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），向儲能電容Co充電。電容Co上電壓充到預定值（1000V）后，控制電路發(fā)出信號，將放電晶閘管觸發(fā)導通，Co上電壓快速向負載氙燈釋放，激光器正常工作。
預燃觸發(fā)電路針對負載氙燈特性而設，該型激光器要求先通入近兩萬(wàn)伏的高壓脈沖，將其內部擊穿，再維持較低的連續電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續放電狀態(tài)下正常工作。因此，電源的工作步驟應是：開(kāi)機——預燃觸發(fā)——電容放電。
2、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為儲能電容，Lo用于限制Co對負載氙燈的放電電流，保護氙燈。
圖2：主電路圖
此處將限流電感L放在變壓器原邊。這除了能實(shí)現功率管的零電壓開(kāi)通外，例如在V1，V4關(guān)斷后，由于L的續流作用，D2，D3導通，則V2，V3可實(shí)現零電壓開(kāi)通;還可分擔變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數，進(jìn)而減小變壓器磁心。
圖3為利用PSPICE軟件對圖2仿真的結果。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：開(kāi)關(guān)頻率f=20kHz，
死區時(shí)間t=2μs，
L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60
C0=100μF。
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3、設計要點(diǎn)
電源系統中，電感L與高頻變壓器T的設計是關(guān)鍵。從圖2看出，逆變電路的負載只有電感L及變壓器T的原邊，當功率管導通，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：計算電路
式中，UT1為輸出電壓Uo（高壓整流橋導通時(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，計算過(guò)程應該是一個(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。
根據負載特性，最大工作頻率為60Hz，即儲能電容在1秒鐘內放電60次，周期為16.7ms?？紤]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對上式進(jìn)行計算，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(xiàn)。從中選取最佳方案，最終確定參數如下：
L=100μH
n=N2：N1=60：24
圖5中，橫坐標表示變壓器副邊繞組匝數N2，縱坐標表示輸出電壓U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60時(shí)，輸出電壓U0為峰值。
圖5：MATLAB計算最佳變比
4、試驗結果
圖6為實(shí)測波形，（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，下部是儲能電容U0的電壓波形，與圖3仿真波形對應。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，這是因為充放電時(shí)間固定的緣故，當U0達到預定值后保持至充電時(shí)間終了。
圖6：實(shí)驗波形
