基于RCC變換的加壓式電光調(diào)Q電源設(shè)計(jì)

【摘要】設(shè)計(jì)了一種基于RCC自激振蕩電路的加壓式調(diào)Q電源，以快速功率MOS管作為開關(guān)器件，通過(guò)對(duì)高壓源的反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。實(shí)驗(yàn)證明，1/4波長(zhǎng)高壓脈沖的上升沿可以在20ns時(shí)間內(nèi)完成，高壓幅值可在2kV至6kV之間調(diào)節(jié)，輸出激光的脈沖寬度可到10ns以內(nèi)，滿足各種電光調(diào)制的需要。該電源性能優(yōu)良且工作穩(wěn)定，在重復(fù)頻率為5kHz、工作溫度范圍-55℃～+70℃條件下穩(wěn)定輸出。

【關(guān)鍵詞】RCC變換；調(diào)Q；高壓脈沖；寬溫度范圍

1.引言

Q開關(guān)是一種廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生巨脈沖功率激光的運(yùn)轉(zhuǎn)方式[1]，在固體激光器中，電光Q開關(guān)是非常重要的單元器件，利用晶體的一次電光效應(yīng)制作的電光Q開關(guān)具有開關(guān)速度快、時(shí)間可控等優(yōu)點(diǎn)。電光調(diào)Q利用電光晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光腔的Q值突變，目的是產(chǎn)生高峰值功率、窄脈沖寬度的激光。

電光Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)高壓快速放電裝置，過(guò)去常用真空管、閘流管及可控硅等做為高壓放電驅(qū)動(dòng)元件，今年來(lái)利用晶體管的雪崩特性或其他方式設(shè)計(jì)出了更快速的調(diào)Q電源，然而有其天生的缺點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，元器件篩選周期長(zhǎng)，成品率低，對(duì)于寬溫度范圍工作的條件下很難做到一致性輸出。

2.高壓負(fù)脈沖設(shè)計(jì)

2.1 RCC自激振蕩電路設(shè)計(jì)

反激式自激振蕩變換器就是通常所指的RCC（Ringing Choke Converter）電路，采用和PWM型變換器相對(duì)的一種驅(qū)動(dòng)方式，開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷不需要專門的觸發(fā)電路，完全靠電路內(nèi)部來(lái)完成。在結(jié)構(gòu)上是單極點(diǎn)系統(tǒng)，容易得到快速穩(wěn)定的響應(yīng)。直流電壓28V輸入后，如圖1所示，將直流電壓由變壓器T1的輸入線圈和隔離反饋網(wǎng)絡(luò)形成自激振蕩，其中U1為光耦，U1為TL431。變壓器T1的輸出脈沖交流高壓經(jīng)D4整流和C5濾波儲(chǔ)能后形成500V直流高壓源，作為高壓脈沖的輸入源。直流高壓的幅值大小可由電位器R13調(diào)節(jié)。直流高壓經(jīng)限流電阻器R11后，對(duì)電容器C9充電，此次快速驅(qū)動(dòng)信號(hào)未驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件Q2，當(dāng)設(shè)定好的快速驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)QDriv打開Q2的瞬間，電容器C9經(jīng)Q2迅速放電，形成快速下降沿的負(fù)高壓脈沖。其中，Q2的型號(hào)為STP5NB90，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，負(fù)脈沖下降沿時(shí)間可達(dá)到18ns。

2.2 RCC變壓器設(shè)計(jì)

3.脈沖磁放大電路設(shè)計(jì)

輸入至脈沖磁放大電路的負(fù)高壓脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)磁放大脈沖變壓器后，輸出高壓經(jīng)過(guò)快速整流二極管后輸出高壓快速正脈沖，如圖2所示。

負(fù)高壓脈沖經(jīng)過(guò)變壓器T2后完成一級(jí)升壓，C10除隔整流分量，將信號(hào)進(jìn)行耦合，與變壓器T3的初級(jí)線圈形成LC振蕩。同時(shí)，T3完成二級(jí)放大，經(jīng)D6和D7整流后，防止輸出電壓反沖，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行限幅和整形。輸出如圖所示的高壓脈沖，上升沿可到20ns以內(nèi)，電壓隨繞制匝數(shù)比增加，本電路的匝數(shù)比設(shè)計(jì)為5：25～5：30之間的調(diào)整范圍。其中，變壓器T2和T3的設(shè)計(jì)采用了不同材料的鐵氧體磁芯，充分考慮了溫度對(duì)磁芯材料的磁導(dǎo)率影響，繞制導(dǎo)線的處理和繞制工藝充分考慮抗飽和因素，實(shí)現(xiàn)了在寬溫度范圍內(nèi)輸出不會(huì)有較大變化，滿足激光輸出Q調(diào)制需求。最終輸出的高壓脈沖幅值可由RCC電路的反饋電路調(diào)制，也可由變壓器T2和T3的匝數(shù)比進(jìn)行微小調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

本調(diào)Q電源在寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了由2kV至6kV的大范圍調(diào)節(jié)，輸出波形如圖2中示意，正常工作的溫度范圍達(dá)到了-55℃～+70℃，最高工作頻率5kHz。在多個(gè)激光器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輸出激光脈沖寬度到5ns～6ns。

4.仿真分析

5.結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的寬溫范圍加壓式調(diào)Q電源，采用RCC自激振蕩電路和脈沖磁放大電路，實(shí)現(xiàn)了由2kV至6kV的大范圍調(diào)節(jié)，最高工作頻率達(dá)到5kHz。其中，脈沖磁放大電路采用不同磁芯材料繞制脈沖變壓器，充分考慮了磁性材料對(duì)溫度條件的敏感性，使得電路對(duì)-55℃至+70℃的寬溫度范圍內(nèi)均可滿足使用要求，提高了加壓調(diào)Q電源的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。并在多個(gè)激光器行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，輸出激光脈沖寬度到5ns至6ns。

參考文獻(xiàn)

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