解析IGBT脈沖激光電源的工作原理與設(shè)計要點
發(fā)布時間:2014-12-24 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】本文介紹的IGBT脈沖激光電源,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。
近年來,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,其運行方式多樣,可在脈沖、連續(xù)、調(diào)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(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,整個電路可分為主電路(電力變換電路)和控制電路兩大部分。來自電網(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(yù)定值(1000V)后,控制電路發(fā)出信號,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)電路針對負(fù)載氙燈特性而設(shè),該型激光器要求先通入近兩萬伏的高壓脈沖,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:開機(jī)——預(yù)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(fù)載氙燈的放電電流,保護(hù)氙燈。
圖2:主電路圖
此處將限流電感L放在變壓器原邊。這除了能實現(xiàn)功率管的零電壓開通外,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可實現(xiàn)零電壓開通;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):開關(guān)頻率f=20kHz,
死區(qū)時間t=2μs,
L=100μH,變壓器變比N1:N2=24:60
C0=100μF。
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3、設(shè)計要點
電源系統(tǒng)中,電感L與高頻變壓器T的設(shè)計是關(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,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?qū)〞r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,計算過程應(yīng)該是一個迭代過程。
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為半個周期,開關(guān)頻率f為20kHz時,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,即儲能電容在1秒鐘內(nèi)放電60次,周期為16.7ms。考慮放電時間,則充電時間最多只有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。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,輸出電壓U0為峰值。
圖5:MATLAB計算最佳變比
4、試驗結(jié)果
圖6為實測波形,(b)圖示出(a)圖的前幾個周期。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(yīng)。由圖中看出,i1為零后,U0并未立刻下降,而是保持一段時間,這是因為充放電時間固定的緣故,當(dāng)U0達(dá)到預(yù)定值后保持至充電時間終了。
圖6:實驗波形
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