CO2激光器高壓高頻充電電源的應用研究

石寶松,孫守紅,張興亮,2

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院大學,北京 100049)

·激光器技術·

CO2激光器高壓高頻充電電源的應用研究

石寶松1,孫守紅1,張興亮1,2

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院大學,北京 100049)

為改善現(xiàn)有CO2激光器工頻充電電源體積、重量大、充電精度低等缺點,開展高頻高壓充電電源的研究,研制一臺采用全橋逆變結構和串聯(lián)諧振軟開關電路、輸出電壓36 kV、輸出平均充電功率為10 kJ/s的高頻高壓充電電源。該電源系統(tǒng)采用三相380 VAC作為供電系統(tǒng),大功率智能功率模塊(IPM)作為全橋逆變電路,逆變交流信號經(jīng)串聯(lián)諧振電路及高頻脈沖變壓器得到高壓脈沖信號,高壓脈沖經(jīng)整流給負載電容充電；同時,電源應用電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng),輸出電壓、電流經(jīng)采樣及放大反饋到電源控制芯片SG3525,SG3525通過判斷反饋信號的大小控制輸出PWM驅動信號的占空比。實驗結果表明:電源輸出電壓36 kV,輸出平均功率為10.8 kJ/s,充電效率為0.82,電源紋波系數(shù)為1%。電源系統(tǒng)保證了激光器穩(wěn)定工作在30 Hz條件下。

CO2激光器；串聯(lián)諧振；充電電源；脈沖變壓器；高頻；高壓

1 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術的進步,以激光器為基礎的激光技術得到了迅速的發(fā)展,在光電對抗、航空航天、雷達探測、電子儀表、工業(yè)加工等領域取得重大的應用。脈沖二氧化碳激光器因其脈沖能量高、重復率高、大氣傳輸特性好等特點,成為當前應用最為廣泛的高功率激光器之一[1-3]。CO2激光器采用脈沖功率電源系統(tǒng),主要由充電電源、激勵電路和控制電路三部分組成。充電電源指對儲能元件提供能量的高壓直流電源；激勵電路指脈沖形成電路,即放電電路(包括開關元件)；控制電路包括開關觸發(fā)電路以及激光器運行邏輯控制電路。

充電電源的功能是給儲能放電回路中的電容器充電,當電容器被充至額定電壓后,控制電路發(fā)出信號給觸發(fā)電路,產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號,使儲能放電回路進行放電,由此產(chǎn)生的高壓電脈沖激勵激光諧振腔中的氣體激光介質,從而產(chǎn)生激光。充電電源系統(tǒng)是CO2激光器的核心部件,其性能的改善對提高激光器的各項性能指標和運行穩(wěn)定性舉足輕重。目前我所大功率CO2激光器充電電源采用的是工頻電源；工頻電源存在體積、重量大,穩(wěn)定性和精度低等缺點；針對串聯(lián)諧振軟開關充電電源體積小、重量輕,精度、穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點,開展對高性能高頻高壓充電電源的研究,最終將其應用于車載工程項目中,對提高激光器的性能、車載系統(tǒng)小型化具有重大的意義。

國外,串聯(lián)諧振技術應用于電容器充電電源起步較早,很多公司和研究機構都已推出串聯(lián)諧振式充電電源的成型產(chǎn)品,美國EMI公司研制了輸出電壓50 kV,平均充電功率30 kJ/s,整體效率85%的串聯(lián)諧振充電電源,LAMBDA公司研制了輸出電壓50 kV,平均充電功率15 kJ/s,整體效率85%的串聯(lián)諧振充電電源,TOSHIBA Corp公司研制了輸出電壓40 kV,平均充電功率19 kJ/s,整體效率80.4%的串聯(lián)諧振充電電源。在國內,中國科學院電工研究所是國內研究、研制串聯(lián)諧振充電電源起步較早、較為專業(yè)和應用范圍較廣的機構,他們研制的40 kW/10 kV數(shù)字化控制高頻高壓脈沖電容器恒流充電電源是國內在串聯(lián)諧振充電領域的代表作；華中科技大學鐘和清博士等研制的以定寬調頻控制方式工作的0～25 kV可調的串聯(lián)諧振充電電源也已應用于激光核聚變的能源系統(tǒng)[4-6]。本文采用串聯(lián)諧振軟開關的電路拓撲結構,應用PWM控制芯片SG3525作為整個系統(tǒng)的核心控制芯片,整個電源系統(tǒng)采用模擬電路方式實現(xiàn)。

高壓充電電源系統(tǒng)工作時電磁干擾十分強烈[7-8],抑制電磁干擾同樣是電源設計過程中必須重視的課題。根據(jù)充電電源的應用環(huán)境,設計了一套高壓串聯(lián)諧振充電電源系統(tǒng),此串聯(lián)諧振充電電源輸出電壓36 kV,平均充電功率10.8 kJ/s,整體效率80%,能在30 Hz條件下使大功率CO2激光器穩(wěn)定工作。

2 串聯(lián)諧振充電電源的工作原理

串聯(lián)諧振充電電源是一種DC-DC變換器,具有恒流充電、體積小、效率高、功率密度大、適合寬范圍變化負載等優(yōu)點,并可使開關管工作在軟開關狀態(tài),減少了開關損耗,改善了開關工作環(huán)境[9-15]。根據(jù)逆變器開關頻率fs與諧振頻率fr的關系,串聯(lián)諧振充電電源共有3種工作模式:

fs

fr/2

fr

根據(jù)以上分析,選擇電流不連續(xù)工作模式,此時開關管可實現(xiàn)零電流開關,開關損耗小。

如圖1所示,全橋串聯(lián)諧振充電變換器由功率開關管K1～K4、快恢復二極管VD1～VD4、諧振電感Lr、諧振電容Cr、高壓高頻變壓器Tr、輸出整流橋D1～D4和負載電容組成。直流電壓Ui經(jīng)全橋變換器變成脈沖信號,脈沖信號經(jīng)串聯(lián)諧振電路諧振再通過高頻高壓變壓器升壓獲得高壓輸出信號,此信號經(jīng)整流橋整流后給負載電容C充電。

圖1 全橋串聯(lián)諧振充電電源主電路

為便于分析,假設高頻變壓器、高壓硅堆及其他電路均為理想器件,忽略變壓器的勵磁電感、漏感,忽略高壓硅堆的級間電容和導通電阻,則圖1的等效電路如圖2所示。負載電容C等效到原邊的值C′=(N2/N1)2C,其中N1、N2分別為變壓器原副邊匝數(shù)。在一個開關周期內,電路可以分為四個工作階段。

圖2 串聯(lián)諧振充電電源等效電路

第一階段,假設在t0時刻,K1和K4開通,整流二極管D1和D4導通,等效電路如圖3(a)所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律,可以得到如下方程:

(1)

(2)

(3)

其中,v1是諧振電容Cr兩端電壓,v2是等效負載電容C′兩端電壓。由初始條件,在t0=0時刻,i(t0)=0,v1(t0)=0,v2(t0)=0,并令:

(4)

聯(lián)立方程式(1)～(4)并將初始條件代入方程可得諧振回路電流：

(5)

第二階段,諧振電流反向,反向二極管VD1、VD4導通,整流二極管D2和D3導通,等效電路如圖3(b)所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律,可以得到如下方程

(6)

(7)

(8)

令v1(t1)=VCr1,v2(t1)=VC1,解方程得:

(9)

第三階段,在t3時刻開始,K2和K3開通,整流二極管D2和D3導通,諧振電流反向,等效電路如圖3(c)所示。如第一階段分析,可得諧振回路電流方程:

(10)

第四階段,諧振電流與第一階段同向,反向二極管VD2、VD3導通,整流二極管D1和D4導通,等效電路如圖3(d)所示?？傻弥C振回路電流方程:

(11)

(12)

由式(12)可知,電路的每個充電周期平均充電電流恒定,當充電周期很小時,可理解為線性充電。

圖3 各階段等效電路

3 高壓電源系統(tǒng)的設計

3.1 高壓電源系統(tǒng)的組成

高壓電源系統(tǒng)的組成如圖4所示。整個系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、無源PFC電路、整流濾波電路、全橋開關變換電路、串聯(lián)諧振電路、高頻高壓變壓器、高壓整流橋、輸出檢測反饋及信號控制板組成。

圖4 串聯(lián)諧振充電電源系統(tǒng)的組成

電源系統(tǒng)的工作原理:全橋開關變換電路將整流濾波的直流電壓轉換為脈沖信號,脈沖信號經(jīng)串聯(lián)諧振電路整形再經(jīng)高頻高壓脈沖變壓器升壓獲得高壓脈沖,高壓脈沖經(jīng)高壓整流橋給負載電容充電,當負載電容充電到設定電壓時,停止充電,當檢測到負載電容電壓小于預設電壓,重新充電到預設電壓。

3.2 供電系統(tǒng)選擇

本電源系統(tǒng)平均充電功率為10kJ/s,電壓36kV,屬于高壓大功率電源,選擇三相380VAC作為電源的供電系統(tǒng),整流后易于變壓器的設計,但電路設計安規(guī)要求偏高。

3.3 全橋串聯(lián)諧振電路設計

3.3.1 全橋開關變換器設計

智能功率模塊IPM(IntelligentPowerModule)是一種先進的功率開關器件,兼有大功率晶體管高電流密度、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)點,以及MOSFET高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點,而且IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護(過流、短路、超溫、欠壓)電路,一旦發(fā)生負載事故或使用不當?shù)犬惓Ｇ闆r,模塊內部即以最快速度進行保護,同時將保護信號送給外部控制電路二次保護,使得IPM相比IGBT模塊可靠性顯著提高,并且IPM構成的全橋電路相比IGBT模塊構成的全橋電路體積更小。本文的全橋開關變換器選擇IPM,型號為PM300CLA120。

3.3.2 諧振參數(shù)設計

由380V的供電系統(tǒng)可知開關變換器的直流輸入電壓Ui≈500V,負載電容C=0.3μF,變壓器的變比n≈94,系統(tǒng)的充電時間τ=19 ms,根據(jù)充電時間公式:

(13)

將參數(shù)代入公式(13),得:

(14)

根據(jù)選擇的IPM知,其開關頻率fs≤20kHz,選擇IPM的開關頻率為fs=20kHz,則諧振周期Tr=25μs。根據(jù)公式:

(15)

可得:

(16)

根據(jù)式(14)和式(16)可計算出:

Lr=23.6 μH,Cr=0.674 μF

實際應用中采用鐵氧體磁芯繞制電感,電感值略大于23.6μH,選取電容Cr=0.66 μF,電容用2個標準的0.33 μF/1200 V電容并聯(lián)組成。

3.4 高頻高壓變壓器設計

高頻高壓變壓器在整個系統(tǒng)中起著升壓、能量傳遞和安全隔離的作用,是整個硬件系統(tǒng)中的核心組成單元[16-18]。本系統(tǒng)的輸出功率10 kJ/s,工作頻率20 kHz,變壓器傳遞的電壓波形為交變正負對稱的方波,設計時要考慮兩點:①保證鐵芯材料在高頻工作狀態(tài)下的功率損耗盡可能小;②鐵芯材料有較高的飽和磁通密度、動態(tài)磁導率和較好的溫度特性。應用于開關電源高頻功率脈沖變壓器主要有鐵基非晶、坡莫合金、錳鋅鐵氧體三種,根據(jù)變壓器的工作頻率和輸出功率,選擇鐵基非晶材料的磁芯,磁芯型號為AM-C-500,磁芯材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 鐵基非鐵芯參數(shù)

磁芯窗口面積Aw=4×8.5=34cm2,磁芯有效截面積Ae=2.5×5.4=13.5cm2,則磁芯面積乘積AP=Aw×Ae=459cm2。

根據(jù)變壓器的視在功率計算磁芯面積乘積,視在功率:

(17)

全橋變換器的面積乘積要求：

(18)

其中,η為變壓器的效率,設為0.8；Bm為磁芯的工作磁通密度,選擇0.5T。由公式(18)可知,選擇的磁芯有一定的裕量,適合作為變壓器磁芯。

輸出充電電壓UO=36kV,最大占空比Dmax=0.8,整流硅堆壓降VD=440V,最小輸入電壓:

(19)

變壓器變比:

(20)

最大輸入電壓:

(21)

變壓器初級繞組:

(22)

為方便繞制,取初級匝數(shù)為10匝,則變壓器次級繞組匝數(shù)為940。變壓器磁芯為C型,有兩個繞線柱,初級繞組分雙柱繞,各4匝,用銅皮繞,厚度0.5mm,寬度80mm；次級繞組雙柱各繞470匝,導線選用三重絕緣漆包線,絕緣層采取聚酰亞胺膜與NHN紙配合使用,繞組經(jīng)反復浸漆后,用環(huán)氧樹脂灌封,變壓器安裝在專用的屏蔽盒內,屏蔽盒兩邊開孔用以加風扇散熱。

3.5 輸出信號檢測電路

本系統(tǒng)采用輸出電壓電流雙閉環(huán)的模式,反饋電流采樣用于控制信號占空比,反饋電壓采樣用于檢測輸出電壓的幅值以及放電檢測。電壓采樣采用阻容并聯(lián)分壓后濾波放大的方法,電流采樣采用在地與高壓整流橋之間加電阻采樣地線電流的方法,由于采樣電阻消耗功率很小,在設計電路時可以忽略。電路如圖5～7所示。

圖5 輸出采樣電路

圖6 電流反饋放大電路

圖7 電壓反饋放大電路

4 系統(tǒng)仿真及測試結果

4.1 主電路仿真

為驗證功率器件以及諧振參數(shù)的選擇是否準確,有必要對主電路進行仿真,將變壓器的副邊參數(shù)折算到原邊后得到主電路的等效電路,應用PSPICE軟件對等效電路進行仿真得到的諧振電流以及輸出電壓仿真波形如圖8、9所示。

圖8 諧振電流波形

圖9 負載電壓波形

從仿真波形可以讀出,負載電壓在某一段時間內線性上升,在接近18ms時基本充滿；諧振電流最大值小于110A,選擇300A的IPM有2倍的裕量,這種選擇適合工程應用。

4.2 測量實驗與結果

本文將高壓電源與激光器聯(lián)機進行試驗測量,保證激光器工作在相對低頻率下,獲得充電電源信號波形如圖10所示；諧振電路電流波形由LEM公司型號為LA100-P的傳感器測試得到,波形如圖11所示；激光波形如圖12所示。

由實驗波形可知,充電電源給激光器主電容充電到36kV的時間為18ms,則電源系統(tǒng)的輸出平均功率為10.8kJ/s。根據(jù)電流傳感器輸出端所接電阻R=80 Ω,可知諧振電路電流峰值約為100 A。

圖10 充電電源波形

圖11 諧振電流波形

圖12 激光波形

對比仿真波形與實驗波形可知,仿真在一定程度上可以指導工程的設計,但仿真與實驗又有所不同,仿真為理想化的建模,而實驗則更為復雜,并且受到環(huán)境的影響很大。用鉗形表測量380 VAC進線端的電流有效值為34.8 A,則充電電源的轉換效率為0.82。

5 結 論

根據(jù)高頻高壓充電電源充電速度快、精度高、體積小等特點,提出將高頻諧振充電技術應用于高功率CO2激光器充電電源,并介紹了高頻高壓串聯(lián)諧振充電電源的拓撲結構和工作原理。實驗結果表明:研發(fā)的充電電源的平均輸出功率為10.8 kJ/s,輸出電壓36 kV,紋波系數(shù)約為1%,轉換效率為0.82,此電源與CO2激光器聯(lián)機進行試驗,激光器在30 Hz條件下穩(wěn)定工作。

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Applied research of series resonant charging power supply for CO2laser

SHI Bao-song1,SUN Shou-hong1,ZHANG Xing-liang1,2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

In order to improve the disadvantage of the fundamental frequency charging power supply which has large volume,large weight and low charging precision,a high frequency and high voltage charging power supply including a full bridge inverter circuit and a series resonant soft switch circuit was developed,and its output voltage is 36 kV and average charging power is 10 kJ/s.Employing three phase 380 VAC as its energy system,high power intelligent power module(IPM)as full bridge inverter circuit,high voltage pulse charging for load capacitor is generated by series resonant circuit and high voltage pulse transformer.The system is controlled by sampling output voltage and output current,chip SG3525 controls duty cycle of driving signal by feedback signal.Experimental results show that output voltage of the charging power supply is 36 kV,output average charging power is 10.8 kJ/s,charging efficiency is 0.82 and ripple coefficient is 1%.The laser works stably in 30 Hz by applying the series resonant charging power supply system.

CO2laser;series resonant;charging power supply;pulse transformer;high frequency;high voltage

長春市地院合作創(chuàng)新集群專項(No.11DJ02)資助。

石寶松(1980-)，男，助理研究員，從事激光充電電源,大功率電機驅動方面的研究。E-mail:s3c2410@163.com

2014-11-07;

2015-04-21

1001-5078(2015)07-0775-07

TM89

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.009