全橋型IGBT脈沖激光電源原理與性能分析

　　　1引言

　　近年來，高功率Nd：YAG固體激光器已廣泛用于工業(yè)加工領(lǐng)域和醫(yī)療儀器領(lǐng)域，如材料加工、激光測距、激光打標(biāo)、激光醫(yī)療、激光核聚變等。與氣體激光器或其他激光器（如化學(xué)激光器，自由電子激光器等）相比，固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用等優(yōu)點，其運行方式多樣，可在脈沖、連續(xù)、調(diào)Q及鎖模下運行。

　　2原理框圖

　　本文介紹的激光電源為工作于重復(fù)脈沖方式的固體激光器提供電能。該激光器采用氙燈作泵浦光源，在惰性氣體燈中，氙氣的總轉(zhuǎn)換效率最高。激光器用于激光打標(biāo)，工作頻率每秒60次。電源系統(tǒng)采用IGBT管全橋逆變方式，工作頻率為20kHz，控制電路采用PWM方式。

圖1原理框圖

　　圖1示出電源原理框圖，整個電路可分為主電路（電力變換電路）和控制電路兩大部分。來自電網(wǎng)的380V交流電壓經(jīng)整流濾波后得到約520V左右的直流電壓，加到橋式逆變器上。逆變器主功率開關(guān)采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM電路產(chǎn)生一對相位互差180°的脈沖電壓控制逆變橋的四個功率管，將直流電壓變換為高頻方波電壓，再經(jīng)高頻高壓整流橋得到高壓直流（約1400V），向儲能電容Co充電。電容Co上電壓充到預(yù)定值（1000V）后，控制電路發(fā)出信號，將放電晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，Co上電壓快速向負(fù)載氙燈釋放，激光器正常工作。

　　預(yù)燃觸發(fā)電路針對負(fù)載氙燈特性而設(shè)，該型激光器要求先通入近兩萬伏的高壓脈沖，將其內(nèi)部擊穿，再維持較低的連續(xù)電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續(xù)放電狀態(tài)下正常工作。因此，電源的工作步驟應(yīng)是：開機(jī)——預(yù)燃觸發(fā)——電容放電。

　　3工作原理及仿真波形

　　圖2示出電源主電路，V1—V4組成橋式逆變器，兩端并聯(lián)RCD吸收支路，L為限流電感，Co為儲能電容，Lo用于限制Co對負(fù)載氙燈的放電電流，保護(hù)氙燈。

圖2主電路圖

　　與文獻(xiàn)1中介紹的激光電源不同，此處將限流電感L放在變壓器原邊。這除了能實現(xiàn)功率管的零電壓開通外，例如在V1，V4關(guān)斷后，由于L的續(xù)流作用，D2，D3導(dǎo)通，則V2，V3可實現(xiàn)零電壓開通;還可分擔(dān)變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數(shù)，進(jìn)而減小變壓器磁心。

　　圖3為利用PSPICE軟件對圖2仿真的結(jié)果。圖中上部為變壓器原邊繞組電流i1，下部為輸出電壓Uo。

圖3仿真波形

　　仿真參數(shù)：開關(guān)頻率f=20kHz，

　　死區(qū)時間t=2μs，

　　L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60

　　C0=100μF。