強激光脈沖能源系統(tǒng)電路優(yōu)化

　　0 引言

　　強激光技術是近年來物理學研究中的活躍領域，激光輻射效應及破壞機理研究、激光ICF（慣性約束聚變）等的研究成果展示了強激光技術在軍事、民用中的廣闊應用前景。以電容器為儲能單元的大功率能源系統(tǒng)是強激光裝置的重要組成部分，它為氙燈負載提供滿足能量、功率和波形要求的激勵脈沖。計算機自動測控系統(tǒng)對能源系統(tǒng)進行自動檢測和控制，構成閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安傘性?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/光電隔離">光電隔離技術的信號變換隔離系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)主放電電路和測控系統(tǒng)的絕緣隔離，提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力和安全性。

　　強激光裝置(如Nova、神光-Ⅱ、星光)均采用開關一端接地的電路結構。本文研制的100 J輸出激光功率放大系統(tǒng)配套能源單元及測量與控制單元采用以高壓大電流真空開關為核心的電容器一端接地放電電路，電路結構簡單、緊湊，易于模塊化，并能有效抑制電磁干擾和地電位的抬高。

　　l 能源系統(tǒng)基本組成

　　根據(jù)激光放大系統(tǒng)的要求，能源系統(tǒng)分為三級，每級為兩路氙燈提供泵浦能量。

　　每路能源系統(tǒng)包括6個單元：供電單元、充電及安全泄放單元、儲能單元、脈沖成形單元、控制單元、放電參數(shù)測量單元。

　　供電單元由隔離變壓器、配電開關柜，濾波單元組成，實現(xiàn)市電輸入控制及濾除電源干擾等功能。

　　充電及安全泄放單元由調(diào)壓模塊、PLC、高壓變壓器及充電電阻、泄放電阻和真空泄放繼電器組成，實現(xiàn)市電低壓電能向儲能單元高壓電能的轉換，同時實現(xiàn)安全卸載和安全接地。

　　儲能單元是電容器組，實現(xiàn)高壓電能的儲存，并和脈沖成形系統(tǒng)一起實現(xiàn)功率放大。

　　脈沖成形單元由高壓大電流真空放電開關及其觸發(fā)系統(tǒng)、脈沖形成電感、低損耗傳輸電纜等組成。該單元的核心是真空放電開關及其觸發(fā)系統(tǒng)。它將電容器組的準靜態(tài)高壓電能轉換為滿足氙燈能量、功率和波形要求的高功率脈沖，由氙燈將電能轉換為符合激光器要求的合適有效的光能。

　　控制單元由一臺工業(yè)控制計算機、光纖通訊網(wǎng)絡、控制軟件等組成，實現(xiàn)對能源系統(tǒng)進行充、放電控制及安全泄放操作。

　　放電參數(shù)測量單元由高壓分壓器和電流測量線圈組成，實現(xiàn)電容器組充電電壓和脈沖放電電流的測量。

　　能源系統(tǒng)總體結構如圖l所示。

　　2 電路設計和參數(shù)選擇

　　2.1 光電隔離控制系統(tǒng)

　　如圖2所示，能源系統(tǒng)的控制單元由前級控制單元和后級控制單元兩部分組成。前級控制單元由工業(yè)控制機、光纖通訊接口電路前端、控制操作及系統(tǒng)狀態(tài)顯示面板組成。該單元與高功率電路(主放電電路)使用光纖通訊實現(xiàn)光電隔離，以解決主電路放電時高功率脈沖對測控系統(tǒng)的干擾問題。前級控制單元給出系統(tǒng)控制指令，接收并輸出系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，接收上位機的控制指令。后級控制系統(tǒng)通過光纖通汛接口接收前級控制單元的指令并通過控制固態(tài)繼電器、調(diào)壓模塊等器件的運行實現(xiàn)對充電運行過程的控制，通過控制高壓脈沖發(fā)生器的相關執(zhí)行部件實現(xiàn)對高壓脈沖發(fā)生器開/關機、高壓電容充電及解、閉鎖等動作的控制，同時控制安全、泄放執(zhí)行機構的運行，觸發(fā)指令則通過光電轉換電路直接饋送至高壓脈沖發(fā)生器。

　　2.2 氙燈放電電路的Pspice模擬與分析

　　氙燈的阻抗特點決定了能量從電容器組轉移到氙燈的效率。氙燈阻抗是時間和電流密度的函數(shù)，根據(jù)Gonze模型，氙燈非線性動態(tài)電阻R可表示為

　　式中：i為通過氙燈的電流；K為氙燈電阻系數(shù)，K=kl/d，特征常量k取決于氣體類別和氣壓等參量；l為氙燈長度；d為氙燈直徑。

　　100 J激光功率放大系統(tǒng)能源系統(tǒng)氙燈負載的電阻系數(shù)通過計算確定為K=21。

　　氙燈放電回路的Pspice模型如圖3所示。