大功率脉冲激光电源的研制

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长春理工大学学报
2003 年
图 5 实验过程中测得的波形
参 考 文 献
[ 1 ] 梁国忠 ,梁作亮编著. 激光电源电路. 兵器工业出版社
[ 2 ] 何希才编著. 新型开关电源设计与应用. 科学出版社
The Development of Pulsed Laser Power Supply
(上接第 54 页)
A Study of Fuzzy Variable Frequency Control System f or Constant Pressure
W A N G Cai xia
( College of Elect ronics and Inf orm ation Engi neeri ng , Changchun U niversity of Science and Technology , Changchun 130022 , Chi na)
Abstract : A kind of f uzzy system for constant water pressure is int roduced in t his paper , which is realized by t he single2chip microcomputer and t he t ransducer , taking t he place of t he t raditional water supplying way of high cistern and of imposing t he pressure on t he pump directly. Moving on t he spot shows t hat it has high relia2 bility , stability , and t he distinctive effect of energy saving. Key words : Fuzzy cont rol ; Single2chip microcomputer ; Serial communication Variable velocity Variable f re2 quency
1 脉冲激光电源的工作原理介绍
图 1 电源整体设计框图
生封锁信号关闭逆变器 , 此时电源处于稳压状态 , 即准备放电状态 。当控制系统产生放电信号时 , 触 发放电开关 , 储能电容器里的电荷向氙灯快速放 电 , 若放电能量到达一定值便可使氙灯发光 。
氙灯为具有负阻特性的气体放电灯 , 它对电源 提出如下要求 :
近年来由于新的电子元件 、新电磁材料 、新变 换技术 、新控制理论及新的软件的不断的出现并应 用到开关电源 , 使开关电源具有了频率高 、效率 高 、功率密度高 、可靠性高等优点并广泛应用于军 事 、工业 、医疗等各种领域 。
该脉冲激光电源与以往的激光电源有较大的不 同 : 要求 电 源 工 作 在 脉 冲 方 式 下 , 输 出 最 大 为 16250J 的能量 , 且放电时间 、放电次数及放电时 间间隔均可在一定范围内调节 , 从而实现氙灯输出 能量可调 。在实现脉冲氙灯电源的基本功能的基础 上 , 力求电源的体积小 , 重量轻 , 并且在操作方面 实现程控化 。
收稿日期 : 2003 - 05 - 10 基金项目 : 中恒健医疗投资有限公司项目 作者简介 : 姜晓华 , 女 (19 —) , 教授 , 主要从事激光电源的研究工作 。
第3期
姜晓华等 : 大功率脉冲激光电源的研制
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用 VMOS 器件工作频率可达 100 KHz , 根据电源指 标要求谐振频率应在 30 KHz 左右 , 故选用 I GB T 为开关元件组成串联谐振电路 。由于半桥电路对开 关元件的耐压要求降低 , 故采用半桥式串联谐振电 路为储能电容充电 , 如图 2 所示 :
600A 的三菱公司的 CM600 HA - 24 H 型 I GB T 。如 图 4 所示 :
图 2 半桥逆变式串联谐振充电电路
该电路工作过程中电流波形如图 3 :
图 4 脉冲氙灯电源放电电路
由于电容的充电电压高 , 放电时电流很大 , 且根据需要电容并不完全放电 , 故需采取一定的保 护措施 , 关机时必须将电容中的电能完全放掉 。
第 26 卷第 3 期 2003年9月
长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology
文章编号 : 1004 - 485X (2003) 03 - 0042 - 03
Vol126 No13 Sep . 2 0 0 3
大功率脉冲激光电源的研制
为此 , 电源整体设计如图 1 所示 : 电源上电后 , 首先启动预燃电路 , 使氙灯预 燃 , 进入辉光放电状态 。氙灯预燃稳定后 , 自动给 控制电路上电 , 使整个电源系统工作 。电源的主电 路工作过程如下 : 首先由控制系统发出充电信号 , 启动逆变器向储能电容器充电 , 并实时监控电容器 上的电压 , 当电容器充电到预定值时系统便自动产
谐振充电提高了储能器的充电效率 , 只要参数 设计合理 , 逆变器输出波形接近正弦波 , 变换频率 较高 , 且具有恒流源性质 。由于采用晶闸管作为逆 变器中的开关元件的最高逆变频率不超过 20 KHz , 而选用 VMOS 或 I GB T 组成的充电电路 , 其逆变 频率比用晶闸管做开关元件要高 , 采用 I GB T 可达 到 30 KHz , 谐振式逆变器可达到 50 KHz 以上 , 采
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
姜晓华 李延彬 刘广文
(长春理工大学 电子信息工程学院 , 长春 吉林 130022)
摘 要 : 根据氙灯特殊的电气特性 , 论证了脉冲激光电源主要环节的设计方案 , 并设计相应的硬 件电路和软件程序 , 达到技术指标 : 充电电压从 250V～700V 连续可调 , 输出能量连续可调 , 在 实际的运行过程中稳定可靠 。 关键词 : 脉冲氙灯 ; 半桥逆变 ; 串联谐振 ; I GB T 中图分类号 : TN 文献标识码 : A
电路中 I GB T 的驱动信号可由 TL494 , 3524 , 3525 等产生脉宽可调 , 频率可调的两路相差为 180 度的脉冲 , 信号经过 EXB841 这个 I GB T 专用厚膜 驱动芯片 , 控制两个 I GB T 的导通与关断 。
电路中对 I GB T 的保护很重要 , 为防止过压可 采用 RC 吸收电路和其它过压保护电路 。
J IA N G Xiaohua , L I yanbi n , L I U guangw en
( College of Elect ronics and Inf orm ation Engi neeri ng , Changchun U niversity of Science and Technology , Changchun , 130022 , Chi na)
2 硬件电路设计
1) 高压触发脉冲 , 大约为 2 万伏左右的高压 211 半桥逆变式串联谐振充电电路
电脉冲 。 2) 使氙灯预燃所需的预燃维持电流 , 一般在
80 - 200mA 。
由于该电源对能量的要求很高 , 故根据计算选 择 25000μF 的储能电容 , 同时对其充电电路的要 求也就更高 。
2. 2 放电电路的设计
在放电电路中 , 把存储在储能电容中的电能直 接转化成光能 , 因此放电电路决定了电源的效率 。 由于该电源设计要求输出能量很大且可调 , 故采用 单电容放电电路 。开关器件选用耐压 1200V , 电流
图 5 软件流程图
4 实验结果及结论
图 5 所示为实验波形 。实验条件为开关频率 f s = 14 KHz , 谐 振 频 率 f r = 28 Hz , 储 能 电 容 为 25000μF , 放电信号为连续 3 个脉冲。从图 5 (a) 为脉 冲逆变信号经 EXB841 驱动后的波形 , 图 5 (b) 为充电 过程中的谐振电流波形 , 已经非常接近正弦波。图 5 (c) 为脉冲氙灯发光时接收到的放电波形 , 可以看出电 容阶梯式的放电效果。电源在实际运行中稳定可靠 , 满 足了所提出的各项技术指标。
Abstract : For t he especial elect rical characteristic of xenon lamp , t his t hesis demonst rate t he scheme of t he pulsed laser power supply and design t he hardware circuit and t he software program accordingly. Obtain t he technical target such as t he charging voltage can change continuously f rom 250V to 700V , and t he output energy can change continuously. The whole power supply works steadily and reliably. Key words : Pulsed xenon lamp ; Half - bridge convertor ; Tandem resonance ; I GB T ;
3 软件实现
由于电源需要控制放电脉冲信号 , 要求放电脉 冲个数可调 , 脉冲宽度可调 , 多个脉冲之间间隔可 调 , 来达到控制输出能量可调的目的 , 采用单片机 控制系统即可实现 。程序流程图如下 :
图 3 逆变器电流波形
在 t0 时刻 , A 点接收到触发信号 , I GB T1 导通 , 电源通过 I GB T1 , 变压器初级 , L , C3 ,向 C2 充电 , 电流正向流动 , 其值由零逐渐增大 , I GB T1 属于 零电流导通 , L 与 C3 谐振 。在 t1 时刻 ,电流过零 ,电 容 C3 两端的电压达到最大值 ,电路转入二极管续流 状态 ,电流反相 ,电容 C3 两端的电压逐渐减小 , t1 到 t2 间时刻关断 I GB T1 。由于此时二极管 D1 导通 , I GB T1 属零电压关断 。在 t2 时刻 ,电流到零 , D1 自 然关断 。t3 时刻 , I GB T2 受触发导通 , 电路开始又 一谐振周期 , t4 时刻电流过零 , 二极管 D2 续流 , 在 t4 到 t5 时刻 , I GB T2 零电压关断 , t5 时刻 D2 自然 关断 , t6 时刻周期结束 。