恒功率激光脉冲电源的设计_张红燕

山西电子技术2010年第1期应用实践收稿日期:2009-10-10 修回日期:2009-10-27作者简介:张红燕(1978-),女,山东临清人,硕士,讲师,主要研究方向:电子设计、粒子滤波在移动通信中的应用等。

文章编号:1674-4578(2010)01-0007-02恒功率激光脉冲电源的设计张红燕1,樊东红2(1.贺州学院物理与电子信息系,广西贺州542800;2.钦州学院物理与电子工程系,广西钦州535000)摘 要:设计与实现了用于激光切割机的脉冲电源,采用功率器件IGBT 构成功率驱动单元,利用单片机实现电流的恒功率算法快速控制输出电流,并对功率器件I G BT 进行安全可靠的保护。

该电源工作频率在超声频段,无电流噪声,输出电流的波纹极小,电流稳定度高。

关键词:脉冲电源;恒功率;单片机;IGBT中图分类号:TN867 文献标识码:A0 引言目前激光切割机中主要使用大功率二氧化碳激光器和N d :YAG 激光器,使用计算机软件控制工件或激光束运动,辅以高压气体。

激光切割技术已广泛应用到各种领域,激光电源的研究与设计[1,2]也引起了人们的重视。

脉冲激光电源是专门为脉冲N d :YAG 激光器设计的电源,内部是由单片机控制,通过触摸式操作面板选择激光输出功率、频率和脉宽等参数,是多功能激光切割机的理想配置,具有误操作和超温自动保护等功能。

脉冲激光电源实现了非线性化,取代了线性倍压整流技术,使得整体的转换效率、体积、重量及充放电时间等重要参数均有了较大的改善。

数字与模拟共存是电源的发展趋势[3],只有充分发挥数字和模拟的各自优势,才能设计出高性能的电源解决方案。

本文设计的就是一种模拟与数字相结合的激光脉冲电源,其输出的频率:20H z~1000H z ;脉冲宽度t :30L s~999L s ;平均功率P:0.5k W ~8k W,输出电压范围:200V ~400V 。

1 脉冲电源的设计原理激光切割机脉冲电源采用单片机技术对电流设定、逻辑功能及接口信号进行控制,并使调试、检测更简单。

考虑电磁兼容问题,在供电电源进线采用LC 元件减少内外的电磁串扰。

外接口采用光电隔离或共模抑制比较好的输入输出方式,提高抗干扰能力。

脉冲电源的电路总框图如图1。

图1 电路总框图脉冲电源采用两级功率器件IGBT 构成前级功率控制及后级输出单元,可使电源工作效率达95%以上。

前级功率控制单元采用专用恒流控制模块实现快速电流控制,并对功率器件I GBT 进行安全可靠的保护,电源输出电流的波纹极小,电流稳定度高。

电源工作频率在超声频段,无电流噪声。

后级采用恒频恒脉宽功率输出,单片机8051F020采样前级输出的电流及电压值,可得到前级输出功率P =U*I ,而后级是恒频恒脉宽输出,所以只要控制前级的功率输出与设定一致,就可实现脉冲电源的恒功率输出。

1.1 引燃点灯电原理根据氙灯管的伏安特性曲线,需要一个一万伏左右的高压脉冲将氙灯管的气体击穿,并使工作电流大于最低燃弧电流(I1),这时氙灯被点燃,工作电流越大发光越强。

引燃点灯电原理图见图2,约1600V 的交流电源经二极管D 2整流后通过R 11、R 10、L 2向C 8、C 7充电,点灯时J 3-2接通,C 8上的电能通过高压包B 1的原边急速释放时,高压包的副边输出一个高压脉冲,将氙灯管的气体击穿。

由于这一高压脉冲的能量很小,击穿电流不足以维持到C 4、C 5放电,故而接入了C 7和L 2维持放电电流到C 4、C 5放电为止。

C 4、C 5放电后恒流源开始工作,提供工作电流,这时点灯成功。

如果点灯失败,工作电流为零,自动点灯装置将断开J 3-2,重新向C 8、C 7充电,并在点灯保护延时时间内重复点灯过程,直至点灯成功为止。

引燃点灯电原理图如图2所示。

图2 引燃点灯电原理图1.2 电源的电流调节采用独特的PWM 控制技术,通过专用智能恒流模块来实施。

电流调节原理图见图1,通过控制I GBT 1导通和截止来调节电流的大小。

I G B T 1工作在脉宽调节的开关状态,当它开通时间加长,关断时间变短时,电流则增大;反之电流则减小。

智能恒流模块根据霍尔电流传感器反馈的实际电流值、实际电流的上升斜率以及给定电流值来快速调节IGBT1导通和截止的时间,实现高速电流内环的闭环控制。

在此基础上,本电源引入的高精度的电流外环可对电流实施精密控制。

图3 电流调节电原理图由于存在平波电感L 及回路电感,当I GBT 关断时,流经C 极的电流要在1L s 的时间迅速降为零,平波电感上储存的能量势必在IGBT 的CE 两端产生过高的过电压而击穿I GBT,因此接入了续流快速恢复二极管D 1。

L 和C 3组成的LC 平波回路,更加减小了机器输出电流的纹波。

2 脉冲电源恒功率控制的实现采用恒功率算法去控制电源,可以使输出仍然是脉冲波形,而对电源本身,因为负载的等效电阻是不变的,所以电源输入端的电压及电流是稳定的。

脉冲电源控制参数有:脉冲频率f :脉冲电源输出的频率,范围20Hz~1000H z ;脉冲宽度t :范围30L s~999L s ;单脉冲能量J :2J~100J ;平均功率P :0.5k W ~8k W 。

换算公式:公式一:P =f @J =U O @I O .(1)由实验数据得到负载氙灯的等效阻值R 约为1.58,则:P =U O @I O =U O @U O R =I O @I OR.(2)由此可得到:当平均功率P 确定后,U O 或I O 就确定了。

公式二:占空比为⊿t ,脉冲宽度为S ,单脉冲周期为T :⊿t =S /T =S @f.(3)公式三:峰值功率为p ,p =P /⊿t =J /S .(4)采用C8051F020单片机来实现数据的运算及整个电源的控制。

由公式一可知,当前级输出功率P 恒定且后级输出频率f 及脉宽恒定时,整个脉冲电源的输出也是恒定的。

C8051F 020单片机提供12位的DA 及AD 接口,前级的电压、电流值可通过相应的采样电路从12位AD 口转化为对应的数值:输入电压U I 、输入电流I I 。

经单片机与设定的功率值比较,通过电流P ID 运算得到一个控制电流输出值I O ,由DA 接口输出一相应的模拟信号到电流输出控制电路(P WM 控制器),改变前级输出电流的大小。

从而控制前级输出功率与设定一致且恒定,达到恒功率输出。

3 结束语在激光切割机作业时,要求其脉冲电源的电压或电流输出是脉冲波形,如果在电源内部没有处理好,不但电源本身会有很大的电感啸叫声,而且还会对电网电压产生很大影响,严重时会使电网上的其它设备不能正常工作。

文献[4]作者设计的是输出为6A 的脉冲激光电源,文献[5]作者设计的是激光焊接机所用的脉冲电源。

专门用于激光切割机的数字与模拟相结合的实用的脉冲电源的研究还不多见。

因此,研制适合激光切割机用的高性能的脉冲电源有着十分重要的意义。

参考文献[1] 金永镐,郑春善.基于恒流驱动模式的宽电压输入串联型开关电源[J].电子技术应用,2007(12):166-168.[2] 陈黎敏,王全忠.P IC 单片机在激光电源中的应用[J].激光杂志,2009,30(1):67-69.[3] 余莲.电源管理发展趋势-数字与模拟共存[J].电子技术应用,2008(4):8.[4] 杨林森,刘俊.大电流窄脉冲激光器电源的设计[J].激光杂志,2006,27(6):78-79.[5] 马新敏,郭泽俊,曹红兵,等.15k W 具有恒压限流功能的YAG 脉冲激光电源[J].激光技术,2003,27(5):466-469.D esign and R ealizati on on L aser Pulse Power Source of Constant Po w erZhang H ong -yan 1,Fan Dong -hong 2(1.Phy sics and Electronic D e p ar t m ent ,H ezhou Un i vers it y,H ezhou Guangx i 542800,Ch i na ;2.P hy sics and E lectronic E ngineer D epart m ent ,Q i nzhou Universit y,Q i nzhou Guangx i 535000,Chi na)Abstrac t :The pu l se power source used i n l aser cutti ng m achi ne i s desi gned and rea lized ,tha t po w er dev i ces IGBT i s used f o r po w er driv i ng units .T he si ngle ch i p i s utilized for quickly contro l of out put current and reali zati on o f constant pow er a l go rith m,and re -li ably protects the secur ity o f po w er dev i ces I GBT.T he wo rk frequency of pulse pow er is i n t he super son i c range w it hout current no ise .T he outpu t curren t i s very stable w ith the m i n i m al r i pple .K ey word s :pu lse pow er sou rce ;constant po w er ;si ng le chi p ;I G BT8山 西 电 子 技 术 2010年。