全桥型IGBT脉冲激光电源原理与性能分析

　　1引言
   　　近年来，高功率Nd：YAG固体激光器已广泛用于工业加工领域和医疗仪器领域，如材料加工、激光测距、激光打标、激光医疗、激光核聚变等。与气体激光器或其他激光器（如化学激光器，自由电子激光器等）相比，固体激光器具有结构紧凑、牢固耐用等优点，其运行方式多样，可在脉冲、连续、调Q及锁模下运行。
   　　2原理框图
   　　本文介绍的激光电源为工作于重复脉冲方式的固体激光器提供电能。该激光器采用氙灯作泵浦光源，在惰性气体灯中，氙气的总转换效率最高。激光器用于激光打标，工作频率每秒60次。电源系统采用IGBT管全桥逆变方式，工作频率为20kHz，控制电路采用PWM方式。
   　 　
   图1原理框图
   　　图1示出电源原理框图，整个电路可分为主电路（电力变换电路）和控制电路两大部分。来自电网的380V交流电压经整流滤波后得到约520V左右的直流电压，加到桥式逆变器上。逆变器主功率开关采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM电路产生一对相位互差180°的脉冲电压控制逆变桥的四个功率管，将直流电压变换为高频方波电压，再经高频高压整流桥得到高压直流（约1400V），向储能电容Co充电。电容Co上电压充到预定值（1000V）后，控制电路发出信号，将放电晶闸管触发导通，Co上电压快速向负载氙灯释放，激光器正常工作。
   　　预燃触发电路针对负载氙灯特性而设，该型激光器要求先通入近两万伏的高压脉冲，将其内部击穿，再维持较低的连续电流（约100～200mA），激光器才能在电容Co的断续放电状态下正常工作。因此，电源的工作步骤应是：开机--预燃触发--电容放电。
   　　3工作原理及仿真波形
   　　图2示出电源主电路，V1-V4组成桥式逆变器，两端并联RCD吸收支路，L为限流电感，Co为储能电容，Lo用于限制Co对负载氙灯的放电电流，保护氙灯。
   　　
   图2主电路图
   　　与文献1中介绍的激光电源不同，此处将限流电感L放在变压器原边。这除了能实现功率管的零电压开通外，例如在V1，V4关断后，由于L的续流作用，D2，D3导通，则V2，V3可实现零电压开通;还可分担变压器原边绕组上的压降，减少变压器匝数，进而减小变压器磁心。
   　　图3为利用PSPICE软件对图2仿真的结果。图中上部为变压器原边绕组电流i1，下部为输出电压Uo。
    　　
   图3仿真波形
   　　仿真参数：开关频率f=20kHz，
   　　死区时间t=2μs，
   　　L=100μH，变压器变比N1：N2=24：60
   　　C0=100μF。
   　　1引言
   　　近年来，高功率Nd：YAG固体激光器已广泛用于工业加工领域和医疗仪器领域，如材料加工、激光测距、激光打标、激光医疗、激光核聚变等。与气体激光器或其他激光器（如化学激光器，自由电子激光器等）相比，固体激光器具有结构紧凑、牢固耐用等优点，其运行方式多样，可在脉冲、连续、调Q及锁模下运行。
   　　2原理框图
   　　本文介绍的激光电源为工作于重复脉冲方式的固体激光器提供电能。该激光器采用氙灯作泵浦光源，在惰性气体灯中，氙气的总转换效率最高。激光器用于激光打标，工作频率每秒60次。电源系统采用IGBT管全桥逆变方式，工作频率为20kHz，控制电路采用PWM方式。
   　 　
   图1原理框图
   　　图1示出电源原理框图，整个电路可分为主电路（电力变换电路）和控制电路两大部分。来自电网的380V交流电压经整流滤波后得到约520V左右的直流电压，加到桥式逆变器上。逆变器主功率开关采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM电路产生一对相位互差180°的脉冲电压控制逆变桥的四个功率管，将直流电压变换为高频方波电压，再经高频高压整流桥得到高压直流（约1400V），向储能电容Co充电。电容Co上电压充到预定值（1000V）后，控制电路发出信号，将放电晶闸管触发导通，Co上电压快速向负载氙灯释放，激光器正常工作。
   　　预燃触发电路针对负载氙灯特性而设，该型激光器要求先通入近两万伏的高压脉冲，将其内部击穿，再维持较低的连续电流（约100～200mA），激光器才能在电容Co的断续放电状态下正常工作。因此，电源的工作步骤应是：开机--预燃触发--电容放电。
   　　3工作原理及仿真波形
   　　图2示出电源主电路，V1-V4组成桥式逆变器，两端并联RCD吸收支路，L为限流电感，Co为储能电容，Lo用于限制Co对负载氙灯的放电电流，保护氙灯。
    　　
   图2主电路图
   　　与文献1中介绍的激光电源不同，此处将限流电感L放在变压器原边。这除了能实现功率管的零电压开通外，例如在V1，V4关断后，由于L的续流作用，D2，D3导通，则V2，V3可实现零电压开通;还可分担变压器原边绕组上的压降，减少变压器匝数，进而减小变压器磁心。
   　　图3为利用PSPICE软件对图2仿真的结果。图中上部为变压器原边绕组电流i1，下部为输出电压Uo。
    　　
   图3仿真波形
   　　仿真参数：开关频率f=20kHz，
   　　死区时间t=2μs，
   　　L=100μH，变压器变比N1：N2=24：60
   　　C0=100μF。
   　　4设计要点
   　　电源系统中，电感L与高频变压器T的设计是关键。从图2看出，逆变电路的负载只有电感L及变压器T的原边，当功率管导通，直流电压Ui加于图4所示位置时，电感上电压为Ui－UT1，则变压器原边电流i1=（Ui－UT1）t/L
    　　
   图4计算电路
   　　式中，UT1为输出电压Uo（高压整流桥导通时就是UT2）折算到变压器原边的值，UT1=U0/n，n为变压器副、原边匝比，又△Uo=（1/C0），
   　　i2=i1/n
   　　考虑到输出电压在逐步上升，而电流i1的幅值在不断下降，计算过程应该是一个迭代过程。
   　　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为半个周期，开关频率f为20kHz时，t=25μs；C0=100μF；L为限流电感电感量。
   　　根据负载特性，最大工作频率为60Hz，即储能电容在1秒钟内放电60次，周期为16.7ms。考虑放电时间，则充电时间最多只有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440
   　　用MATLAB对上式进行计算，并绘出不同的L值、不同的n值、不同的直流电压Ui（Ui有一允许变化范围）情况下，电容电压U0的上升曲线。从中选取最佳方案，最终确定参数如下：
   　　L=100μH
   　　n=N2：N1=60：24
   　　图5中，横坐标表示变压器副边绕组匝数N2，纵坐标表示输出电压U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60时，输出电压U0为峰值。
   　 　
   图5MATLAB计算最佳变比
   　　5试验结果
   　　图6为实测波形，（b）图示出（a）图的前几个周期。图中上部是变压器原边电源i1波形，下部是储能电容U0的电压波形，与图3仿真波形对应。由图中看出，i1为零后，U0并未立刻下降，而是保持一段时间，这是因为充放电时间固定的缘故，当U0达到预定值后保持至充电时间终了。
    　　
   图6实验波形