激光器高压脉冲触发电源的设计

2018-12-14严世胜钟承尧彭鸿雁周萍吴伟

现代电子技术 2018年24期

关键词：激光器

严世胜钟承尧彭鸿雁周萍吴伟

关键词：脉冲触发电源; IGBT; 激光器; 旋转火花开关; 电磁抗干扰电路; 驱动电路

中图分类号： TN248.2?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着激光技术的飞速发展，脉冲CO2激光器在军事、金属加工等领域有着广泛的应用和优势。脉冲CO2激光器是一种新型的气体激光器，作为主要部件之一的旋转火花开关。由于其具有体积小、导通电流大和加工简单等特点，因此，在大功率、大电流CO2激光器中得到了很好的应用[1?2]。工作在大电流及高电压下的旋转火花开关。对脉冲触发电源的参数有较高的要求，其特性将直接影响CO2激光器的整体性能。目前，海南师范大学激光实验室的CO2脉冲激光器高压脉冲触发电源采用的是BJT器件设计，因电路功耗较大利用高压绝缘油进行散热，加快了元器件的老化，也不利于故障的维修。针对以上问题，提出一种利用IGBT器件设计的高压脉冲触发电源[3]，并采用铝制散热片进行自然散热，大大降低了电路的功耗、成本和电路的稳定性，有利于故障的维修。

1 系统结构及原理

高压脉冲触发电源主要由电源抗干扰滤波器、整流滤波电路、直流稳压电源、脉冲信号产生电路、频率计、IGBT驱动电路、IGBT输出电路和高压脉冲变压器等组成[4?5]，如图1所示。为了便于激光器高压触发电源的操作和抗高电压放电电磁干扰，将系统分成激光器脉冲触发信号产生和触发输出电路两部分，分别安装在铝制屏蔽箱内。当接通脉冲触发电源开关时，电路将输出频率为100～600 Hz连续可调的脉冲信号送至IGBT驱动电路，先进行放大整形满足驱动IGBT输出的要求;然后通过屏蔽导线送到IGBT输出电路进行电流放大;最后通过高压脉冲变压器将电压提升至45 kV以上，并通过高压导线连到旋转火花开关上，以触发旋转火花开关稳定工作。

2 系统电路设计

2.1 脉冲信号产生电路

脉冲信号产生电路如图2所示。图2中U1为时基集成电路NE555JG;C2，C4为电源滤波电容;电压控制端CVOLT（5脚）接高频干扰旁路电容C1，取值为0.1 ?F;电阻R1，R2，RW1，RW2和定时电容C3构成定时电路，电容C3上的电压将作为外触发电压，RW1，RW2分别为正脉宽调节和频率调节精密可变电阻[6?7]; S1为脉冲输出控制开关。脉冲信号的正脉宽和频率公式分别为：

式中：定时电容[C3]取1 ?F;电阻R1取51 Ω;R2取2 kΩ;精密可变电阻RW1取500 Ω;RW2取5 kΩ。通过改变RW1和RW2的阻值，使U1的第3脚输出正脉宽为100 ?s、重复频率可在100～600 Hz范围内连续变化。

2.2 高压脉冲触发电源输出电路

高压脉冲触发电源输出电路电路主要由IGBT输出管、IGBT驱动电路和IGBT保护电路等组成，如图3所示。IGBT输出管选用英飞凌公司生产的IHW20N120R，其反向击穿电压为1 200 V，在TC=100 ℃时，集电极最大电流约为20 A，最大耗散功率为178 W，内含阻尼二極管，能满足电路输出电流、功率和反峰电压等要求[8]。

2.2.1 IGBT驱动电路

IGBT驱动电路采用互补推挽式光耦合的驱动方式，该驱动电路具有结构简单，性能稳定和抗干扰能力强的优点，能满足IGBT驱动的参数要求[9]。图3中，三极管Q3～Q5，电阻R6～R9构成互补推挽式放大器，U2，Q2分别为光耦和光耦推动放大管。光耦的前级、后级分别采用独立的12 V和15 V直流供电，并且相互之间隔离，以确保IGBT可靠地通断和提高抗干扰能力。由脉冲产生电路输出的脉冲信号ST1经R4加到Q2进行放大、并经U2隔离和Q3放大，当脉冲信号为高电平时， Q5工作Q4截止，D3导通输出12 V左右的高电平。而当脉冲信号为低电平时，Q5截止Q4工作[10]，D3截止输出0 V的低电平。

2.2.2 IGBT保护电路

1） IGBT栅极过压保护

由于IGBT栅极与射极之间的最高电压为±20 V，如果超出此电压可能会损坏IGBT。因此，有必要在IGBT栅极与射极间加入限幅电路[11]，如图3中的稳压二极管D6和D7，其稳压值为18 V。另外，为了避免IGBT开路时因静电引起栅极电压过高，通常会在IGBT的栅极与射极之间并接一只电阻R12，其阻值为4.7 kΩ。

2）浪涌电压缓冲吸收保护

由于电路分散电感与负载电感的作用下，可能会在IGBT的集电极和发射极产生很高的浪涌尖峰电压，造成IGBT击穿[12]。因此，必须在电路中增加缓冲吸收电路，如图3中的电容C12～C14和电阻R17。C12～C14取值为0.33 ?F/400 V，R17取值为50 Ω/20 W。

高压脉冲变压器的线圈是一个很大的电感，在IGBT截止时，初级线圈上的磁场并未立即消失，将产生较高的反向电动势，很可能造成IGBT或其他元件击穿损坏。因此，必须在初级线圈两端加入反峰吸收电路，如图3中的D5，R13～R15和C15。D5选择快速恢复二极管，型号为RHRG30120，电阻R13～R15取值为50 Ω/50 W，电容C15取值为2.2 ?F/630 V。这样基本可以把反向电动势消耗掉，达到保护相关元器件的目的。

3 实验结果及分析

通过泰克TDS?1002B数字存储示波器和P2220（10∶1）探头对脉冲触发信号的频率和脉宽进行测试，待测频率直接在该设备的频率表上读出，脉冲信号的正脉宽设置为100 ?s。改变脉冲触发信号的频率，通过示波器测出脉冲信号频率和脉宽，数据如表1所示。测试数据表明，脉冲触发信号产生电路的输出频率范围可在100～600 Hz之间连续可调，各输出频率误差小于0.20%，脉宽误差小于0.80%。

在脉冲触发信号频率为400 Hz时，使用数字存储示波器、P2220探头、HVP?40（1 000∶1）高压探头分别对IGBT输出管栅极驱动信号和高压脉冲变压器高压电极的波形进行测试。图4、图5是频率为400 Hz时的IGBT管栅极驱动信号波形和高压脉冲变压器输出波形。由测试波形可知，驱动信号的峰值为12.6 V，能满足IGBT管的驱动要求;高压脉冲变压器的开路峰值电压大于45 kV，脉宽约100 ?s，能满足旋转火花开关触发的基本要求。

4 结论

对海南师范大学激光实验室现有高压脉冲触发电源进行分析，改进现有电路中存在的缺点，提出一种利用IGBT器件来实现的高压脉冲触发电源。该脉冲触发电源输出开路峰值电压大于45 kV，频率范围为100～600 Hz，正脉冲宽度可设置在50～200 μs之间。实验表明，该触发电源能稳定地触发激光器旋转火花开关工作，具有抗干能力扰强、维护方便等特点。

注：本文通讯作者为钟承尧。

参考文献

[1] 邱毅，李育德，冯国英，等.轴对称折叠组合腔CO2激光器的实验研究[J].光学与光电技术，2011，9（6）：66?69.

QIU Yi， LI Yude， FENG Guoying， et al. Experimental research on the axisymmetric folded?combination CO2 laser [J]. Optics & optoelectronic technology， 2011， 9（6）： 66?69.

[2] 于德洋，郭立红，陈飞，等.高功率TEA CO2激光器控制系统设计[J].红外与激光工程，2016，45（7）：54?59.

YU Deyang， GUO Lihong， CHEN Fei， et al. Design of control system for high?power TEA CO2 laser [J]. Infrared and laser engineering， 2016， 45（7）： 54?59.

[3] 韩其国，杨勇，徐平，等.基于IGBT的高压脉冲电源研制[J].电力电子技术，2010，44（7）：63?64.

HAN Qiguo， YANG Yong， XU Ping， et al. A new high pulse electric field power based on IGBT [J]. Power electronics， 2010， 44（7）： 63?64.

[4] 张兴亮，郭立红，张传胜，等.CO2激光器高压脉冲触发系统的设计[J].中国光学，2012， 5（4）：416?422.

ZHANG Xingliang， GUO Lihong， ZHANG Chuansheng， et al. Design of high?voltage pulse trigger system for CO2 laser [J]. Chinese optics， 2012， 5（4）： 416?422.

[5] 张兴亮，石宝松.36 kV/10 kW CO2激光器充电电源的研制[J].激光技术，2016，40（4）：586?591.

ZHANG Xingliang， SHI Baosong. Development of 36 kV/10 kW charging power supply used in CO2 laser [J]. Laser technology， 2016， 40（4）： 586?591.

[6] 文华兵，陈常婷，刘频.基于NE555方波脉冲发生器的设计及应用[J].现代电子技术，2014，37（11）：138?139.

WEN Huabing， CHEN Changting， LIU Pin. Design and application of square?wave pulsed generator based on NE555 [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（11）： 138?139.

[7] 赵翔.脉冲激光器中实用升压与脉冲整形电路设计[J].光学与光电技术，2014，12（3）：67?71.

ZHAO Xiang. Practical voltage?booster and pulse shaping circuit design for pulsed?laser [J]. Optics & optoelectronic technology， 2014， 12（3）： 67?71.

[8] 艾胜，陈玉林，王俊炎.一种高压隔离IGBT驱动器电源设计[J].船电技术，2013，33（9）：1?4.

AI Sheng， CHEN Yulin， WANG Junyan. Design of power supply with high?voltage isolation IGBT drive [J]. Marine electric & electronic engineering， 2013， 33（9）： 1?4.

[9] 姜川，闫吉庆，唐义，等.数控大电流窄脉冲激光驱动电源的设计与实现[J].现代电子技术，2013，36（5）：138?141.

JIANG Chuan， YAN Jiqing， TANG Yi， et al. Design and implementation of numerical control laser driver circuit with large current and narrow pulse width [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（5）： 138?141.

[10] 甘霖，张合，张祥金.激光引信高速窄脉冲互补驱动电源设计[J].光子学报，2014，43（10）：85?90.

GAN Lin， ZHANG He， ZHANG Xiangjin. Design of narrow pulse?width high speed and complementary drive module for laser fuze [J]. Acta Photonica Sinica， 2014， 43（10）： 85?90.

[11] 赵翔.脉冲激光电源的实用IGBT驱动电路设计[J].光学与光电技术，2015，13（2）：17?21.

ZHAO Xiang. Design of a practical IGBT gate?driver for pulsed laser power?supply [J]. Optics & optoelectronic technology， 2015， 13（2）： 17?21.

[12] 张兴亮，郭立红，孟范江，等.谐振充电技术在火花开关触发系统中的应用[J].光学精密工程，2015，23（5）：1416?1423.

ZHANG Xingliang， GUO Lihong， MENG Fanjiang， et al. Application of series resonant charging technology to trigger system for rotated spark switch [J]. Optics and precision engineering， 2015， 23（5）： 1416?1423.