激光器高壓脈沖觸發(fā)電源的設計

嚴世勝 鐘承堯 彭鴻雁 周萍 吳偉

關鍵詞： 脈沖觸發(fā)電源; IGBT; 激光器; 旋轉(zhuǎn)火花開關; 電磁抗干擾電路; 驅(qū)動電路

中圖分類號： TN248.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0018?03

Design of high?voltage pulse trigger power supply for laser

YAN Shisheng， ZHONG Chengyao， PENG Hongyan， ZHOU Ping， WU Wei

（School of Physics and Electrical Engineering， Hainan Normal University， Haikou 571158， China）

Abstract： A high?voltage pulse trigger power supply of laser based on the IGBT device is proposed to make the high?voltage rotary spark switch of the CO2 laser work stably and easy to be maintained. The trigger power supply is powered by using the single?phase 220 V alternating current. The electromagnetic anti?interference circuit is added to transform the heat dissipation mode using high?voltage insulating oil to natural cooling mode. The output peak voltage of the trigger power supply is higher than 45 kV， the peak power is about 2 kW， the frequency range is 100?600 Hz which is continuously adjustable， and the pulse width is set to 50?200 ?s. The test results show that the trigger power supply can trigger the high?voltage rotary sparking switch to work stably， has the advantages of small volume， low power consumption and easy maintenance， can meet the strong electromagnetic anti?interference requirement， and has a certain practical reference value to other gas lasers.

Keywords： pulse trigger power supply; IGBT; laser; rotary spark switch; electromagnetic anti?interference circuit; drive circuit

0 ?引 ?言

隨著激光技術的飛速發(fā)展，脈沖CO2激光器在軍事、金屬加工等領域有著廣泛的應用和優(yōu)勢。脈沖CO2激光器是一種新型的氣體激光器，作為主要部件之一的旋轉(zhuǎn)火花開關。由于其具有體積小、導通電流大和加工簡單等特點，因此，在大功率、大電流CO2激光器中得到了很好的應用[1?2]。工作在大電流及高電壓下的旋轉(zhuǎn)火花開關。對脈沖觸發(fā)電源的參數(shù)有較高的要求，其特性將直接影響CO2激光器的整體性能。目前，海南師范大學激光實驗室的CO2脈沖激光器高壓脈沖觸發(fā)電源采用的是BJT器件設計，因電路功耗較大利用高壓絕緣油進行散熱，加快了元器件的老化，也不利于故障的維修。針對以上問題，提出一種利用IGBT器件設計的高壓脈沖觸發(fā)電源[3]，并采用鋁制散熱片進行自然散熱，大大降低了電路的功耗、成本和電路的穩(wěn)定性，有利于故障的維修。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

高壓脈沖觸發(fā)電源主要由電源抗干擾濾波器、整流濾波電路、直流穩(wěn)壓電源、脈沖信號產(chǎn)生電路、頻率計、IGBT驅(qū)動電路、IGBT輸出電路和高壓脈沖變壓器等組成[4?5]，如圖1所示。為了便于激光器高壓觸發(fā)電源的操作和抗高電壓放電電磁干擾，將系統(tǒng)分成激光器脈沖觸發(fā)信號產(chǎn)生和觸發(fā)輸出電路兩部分，分別安裝在鋁制屏蔽箱內(nèi)。當接通脈沖觸發(fā)電源開關時，電路將輸出頻率為100～600 Hz連續(xù)可調(diào)的脈沖信號送至IGBT驅(qū)動電路，先進行放大整形滿足驅(qū)動IGBT輸出的要求;然后通過屏蔽導線送到IGBT輸出電路進行電流放大;最后通過高壓脈沖變壓器將電壓提升至45 kV以上，并通過高壓導線連到旋轉(zhuǎn)火花開關上，以觸發(fā)旋轉(zhuǎn)火花開關穩(wěn)定工作。

2 ?系統(tǒng)電路設計

2.1 ?脈沖信號產(chǎn)生電路

脈沖信號產(chǎn)生電路如圖2所示。圖2中U1為時基集成電路NE555JG;C2，C4為電源濾波電容;電壓控制端CVOLT（5腳）接高頻干擾旁路電容C1，取值為0.1 ?F;電阻R1，R2，RW1，RW2和定時電容C3構(gòu)成定時電路，電容C3上的電壓將作為外觸發(fā)電壓，RW1，RW2分別為正脈寬調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)精密可變電阻[6?7]; S1為脈沖輸出控制開關。脈沖信號的正脈寬和頻率公式分別為：

式中：定時電容[C3]取1 ?F;電阻R1取51 Ω;R2取2 kΩ;精密可變電阻RW1取500 Ω;RW2取5 kΩ。通過改變RW1和RW2的阻值，使U1的第3腳輸出正脈寬為100 ?s、重復頻率可在100～600 Hz范圍內(nèi)連續(xù)變化。

2.2 ?高壓脈沖觸發(fā)電源輸出電路

高壓脈沖觸發(fā)電源輸出電路電路主要由IGBT輸出管、IGBT驅(qū)動電路和IGBT保護電路等組成，如圖3所示。IGBT輸出管選用英飛凌公司生產(chǎn)的IHW20N120R，其反向擊穿電壓為1 200 V，在TC=100 ℃時，集電極最大電流約為20 A，最大耗散功率為178 W，內(nèi)含阻尼二極管，能滿足電路輸出電流、功率和反峰電壓等要求[8]。

2.2.1 ?IGBT驅(qū)動電路

IGBT驅(qū)動電路采用互補推挽式光耦合的驅(qū)動方式，該驅(qū)動電路具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定和抗干擾能力強的優(yōu)點，能滿足IGBT驅(qū)動的參數(shù)要求[9]。圖3中，三極管Q3～Q5，電阻R6～R9構(gòu)成互補推挽式放大器，U2，Q2分別為光耦和光耦推動放大管。光耦的前級、后級分別采用獨立的12 V和15 V直流供電，并且相互之間隔離，以確保IGBT可靠地通斷和提高抗干擾能力。由脈沖產(chǎn)生電路輸出的脈沖信號ST1經(jīng)R4加到Q2進行放大、并經(jīng)U2隔離和Q3放大，當脈沖信號為高電平時， Q5工作Q4截止，D3導通輸出12 V左右的高電平。而當脈沖信號為低電平時，Q5截止Q4工作[10]，D3截止輸出0 V的低電平。

2.2.2 ?IGBT保護電路

1） IGBT柵極過壓保護

由于IGBT柵極與射極之間的最高電壓為±20 V，如果超出此電壓可能會損壞IGBT。因此，有必要在IGBT柵極與射極間加入限幅電路[11]，如圖3中的穩(wěn)壓二極管D6和D7，其穩(wěn)壓值為18 V。另外，為了避免IGBT開路時因靜電引起柵極電壓過高，通常會在IGBT的柵極與射極之間并接一只電阻R12，其阻值為4.7 kΩ。

2） 浪涌電壓緩沖吸收保護

由于電路分散電感與負載電感的作用下，可能會在IGBT的集電極和發(fā)射極產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓，造成IGBT擊穿[12]。因此，必須在電路中增加緩沖吸收電路，如圖3中的電容C12～C14和電阻R17。C12～C14取值為0.33 ?F/400 V，R17取值為50 Ω/20 W。

高壓脈沖變壓器的線圈是一個很大的電感，在IGBT截止時，初級線圈上的磁場并未立即消失，將產(chǎn)生較高的反向電動勢，很可能造成IGBT或其他元件擊穿損壞。因此，必須在初級線圈兩端加入反峰吸收電路，如圖3中的D5，R13～R15和C15。D5選擇快速恢復二極管，型號為RHRG30120，電阻R13～R15取值為50 Ω/50 W，電容C15取值為2.2 ?F/630 V。這樣基本可以把反向電動勢消耗掉，達到保護相關元器件的目的。

3 ?實驗結(jié)果及分析

通過泰克TDS?1002B數(shù)字存儲示波器和P2220（10∶1）探頭對脈沖觸發(fā)信號的頻率和脈寬進行測試，待測頻率直接在該設備的頻率表上讀出，脈沖信號的正脈寬設置為100 ?s。改變脈沖觸發(fā)信號的頻率，通過示波器測出脈沖信號頻率和脈寬，數(shù)據(jù)如表1所示。測試數(shù)據(jù)表明，脈沖觸發(fā)信號產(chǎn)生電路的輸出頻率范圍可在100～600 Hz之間連續(xù)可調(diào)，各輸出頻率誤差小于0.20%，脈寬誤差小于0.80%。

在脈沖觸發(fā)信號頻率為400 Hz時，使用數(shù)字存儲示波器、P2220探頭、HVP?40（1 000∶1）高壓探頭分別對IGBT輸出管柵極驅(qū)動信號和高壓脈沖變壓器高壓電極的波形進行測試。圖4、圖5是頻率為400 Hz時的IGBT管柵極驅(qū)動信號波形和高壓脈沖變壓器輸出波形。由測試波形可知，驅(qū)動信號的峰值為12.6 V，能滿足IGBT管的驅(qū)動要求;高壓脈沖變壓器的開路峰值電壓大于45 kV，脈寬約100 ?s，能滿足旋轉(zhuǎn)火花開關觸發(fā)的基本要求。

4 ?結(jié) ?論

對海南師范大學激光實驗室現(xiàn)有高壓脈沖觸發(fā)電源進行分析，改進現(xiàn)有電路中存在的缺點，提出一種利用IGBT器件來實現(xiàn)的高壓脈沖觸發(fā)電源。該脈沖觸發(fā)電源輸出開路峰值電壓大于45 kV，頻率范圍為100～600 Hz，正脈沖寬度可設置在50～200 μs之間。實驗表明，該觸發(fā)電源能穩(wěn)定地觸發(fā)激光器旋轉(zhuǎn)火花開關工作，具有抗干能力擾強、維護方便等特點。

注：本文通訊作者為鐘承堯。

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