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新型科技賞析:大能量激光器電源研究,值得一看!
來源:Chinese websites 發布時間:2020/6/3 11:12:28

一.常用固體激光電源的組成及特點

1.1 激光電源設計要求和技術指標

電源輸出能量必須使工作物質的反轉粒子數大于閾值,超過越多,輸出光能越大。電源的功率和設計方案應隨估算出的泵浦能量而定,這主要取決于工作物質的電光轉換效率。為使激光輸出穩定,要求電源的輸出能量必須穩定??傮w而言有如下幾點:1.為使放電器件有高的動力指標和運行指標,電源的輸出電壓或電流特性必須與負特性匹配。2.為使激光器輸出能量均可調,一些電源主要參數既能手動控制,也能自動控制。3.要求電源的泵浦電壓,電流穩定。4.激光電源發展向小型化,重量輕,效率高的方向發展。5.使用要安全可靠,要有過壓,過流等現象的保護電路。

1.2 傳統固體激光電源的組成

傳統固體激光電源由專用供電電源(充電和放電電路)、預燃電路、觸發電路及定時(同步)電路組成。

1.3 激光電源的工作原理

單向AC220v.50/60Hz輸出整流,經軟啟動后在濾波電容上形成一個直流電源。氙燈點燃后,給出信號到控制板,若主電路沒有欠壓、過流,激光器冷卻液斷水等故障,控制板允許主電路工作,產生40kHz左右的震蕩信號到驅動板,在驅動信號的驅動下,功率開關元件VMOS將直流電壓變換成40kHz的交變電壓,經過高頻高壓器進行開壓,高頻整流橋整流后,送到充電儲能網絡,當儲能電容充到額定電壓時,控制板板給出停振信號,逆變電路停止工作。在系統信號驅動下,儲能電容給氙燈放電。在主電路工作過程中,調Q電源給出一個2000~5000v的晶體高壓。氙燈放電時,相對放電信號延時50~400us,退壓觸發信號也送到調Q電源板上。另外,電源還具有內外時統轉換功能,電源可由外時統控制放電,并具有時統輸出端。

二.放電電路的特點及設計方法

2.1放電開關的選擇

放電電路在激光器電源中起很重要的作用,在放電電路中,把儲存在儲能器中的電能直接轉換成光能,因此放電電路決定了激光器的效率。論文參考,放電開關IGCT。當工作物質熒光壽命一定時,要求的泵浦光脈沖就一定。目前占主導地位的功率半導體器件主要有晶閘管、GTO和IGBT等,隨著技術水平的不斷提高,這些傳統器件無論在功率容量還是在應用復雜程度等方面都有了長足的進步,但在實用方面還存在一些缺陷。傳統GTO關斷不均勻,需要笨重而昂貴的吸收電路。另外,因其門極驅動電路復雜,所需控制功率大,這就使得設計復雜,制造成本高,電路損耗大。IGBT雖無需要吸收電路,但它的通態損耗大,而且可靠性不高。另外,單個IGBT的阻斷電壓較近,即使是新型的高壓應用場合須串聯,增加了系統的復雜性和損耗。

IGCT是一種新型的電力電子器件,它將GTO芯片與及并聯二極管和門極驅動電路集成在一起,再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接,結合了晶體管和晶閘管兩種器件的優點,即晶體管的穩定的關斷能力和晶閘管的低通態損耗。IGCT具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低的特點。此外,IGCT還像GTO一樣,具有制造成本低和成品率高的特點,有極好的應用前景。IGCT的一個突出的優點是存儲時間短,因而在串聯應用時,各個IGCT關斷時間的偏差極小,其分擔的電壓會較為均衡,所以適合大功率應用,正好適合本實驗。

2.2 預燃電路

放電電路的電光轉換效率對激光輸出的高低非常重要。為了提高電光轉換效率,減少電磁輻射的干擾,提高燈的幫助,在放電電路中采用了預燃型放電電路。這種電路與一般放電電路不同之處在于,有一附加的直流高壓電源,這種高壓電源可采用任何一種整流方式,關鍵是能夠給出一定的電壓和電流。當然,采用LC恒流變換器是理想的預燃電路,由于電路中有高壓直流電源,燈始終處于穩定的輝光狀態,而流過燈的預燃電流將由預燃電路中的限流元件來限定。為了保證儲能器的能量以一定頻率向燈供給,在燈與儲能器之間接有放電開關。

三.保護電路極其設計方法

3.1 電源保護電路的考慮:欠壓、過壓保護

欠壓、過壓保護在激光電源中很重要。如果欠壓,為了輸出額定功率,則必須具有過大的輸入電流。如果過壓,則電源有過高的輸入電壓峰值,增大了對于逆變橋中IGBT功率開關的反向耐壓,易造成過壓擊穿。故為保證系統工作穩定必須具有欠壓、過壓保護電路,電路如圖3所示。利用電阻R,R1,R2取樣,在LM339,2D1-4門通過調節電位器Rw,將電網輸入電壓限制在AC380土10%的允許變化內。

3.2過流保護

設置過流保護電路主要解決兩個問題:其儀:保護電源在各種強干擾環境工作時,充電電路中不因逆變失敗使功率開光(IGBT)超過額定電流值而損壞。其二,保證脈沖電源按脈沖方式進行從放電,一旦出現氙燈連弧故障時主回路過流加以切斷,實現保護。

3.3其他保護

為了保證激光器安全工作和操作人的人身安全,在激光電源的設計中,無源水壓控制,濕度控制和激光腔蓋控制,利用與門關系,不論哪方面出現故障保護,電路接收到故障信號均及時的關斷逆變信號控制,進行報警。

 

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