強(qiáng)激光脈沖能源系統(tǒng)電路優(yōu)化

　　0 引言

　　強(qiáng)激光技術(shù)是近年來物理學(xué)研究中的活躍領(lǐng)域，激光輻射效應(yīng)及破壞機(jī)理研究、激光ICF（慣性約束聚變）等的研究成果展示了強(qiáng)激光技術(shù)在軍事、民用中的廣闊應(yīng)用前景。以電容器為儲(chǔ)能單元的大功率能源系統(tǒng)是強(qiáng)激光裝置的重要組成部分，它為氙燈負(fù)載提供滿足能量、功率和波形要求的激勵(lì)脈沖。計(jì)算機(jī)自動(dòng)測控系統(tǒng)對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測和控制，構(gòu)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(shù)的信號(hào)變換隔離系統(tǒng)實(shí)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(qiáng)激光裝置(如Nova、神光-Ⅱ、星光)均采用開關(guān)一端接地的電路結(jié)構(gòu)。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(guān)為核心的電容器一端接地放電電路，電路結(jié)構(gòu)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(jí)，每級(jí)為兩路氙燈提供泵浦能量。

　　每路能源系統(tǒng)包括6個(gè)單元：供電單元、充電及安全泄放單元、儲(chǔ)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(guān)柜，濾波單元組成，實(shí)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(shí)現(xiàn)市電低壓電能向儲(chǔ)能單元高壓電能的轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全卸載和安全接地。

　　儲(chǔ)能單元是電容器組，實(shí)現(xiàn)高壓電能的儲(chǔ)存，并和脈沖成形系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)功率放大。

　　脈沖成形單元由高壓大電流真空放電開關(guān)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(guān)及其觸發(fā)系統(tǒng)。它將電容器組的準(zhǔn)靜態(tài)高壓電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為符合激光器要求的合適有效的光能。

　　控制單元由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、光纖通訊網(wǎng)絡(luò)、控制軟件等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　2 電路設(shè)計(jì)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(jí)控制單元和后級(jí)控制單元兩部分組成。前級(jí)控制單元由工業(yè)控制機(jī)、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(shí)現(xiàn)光電隔離，以解決主電路放電時(shí)高功率脈沖對(duì)測控系統(tǒng)的干擾問題。前級(jí)控制單元給出系統(tǒng)控制指令，接收并輸出系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，接收上位機(jī)的控制指令。后級(jí)控制系統(tǒng)通過光纖通汛接口接收前級(jí)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(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)充電運(yùn)行過程的控制，通過控制高壓脈沖發(fā)生器的相關(guān)執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓脈沖發(fā)生器開/關(guān)機(jī)、高壓電容充電及解、閉鎖等動(dòng)作的控制，同時(shí)控制安全、泄放執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，觸發(fā)指令則通過光電轉(zhuǎn)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(diǎn)決定了能量從電容器組轉(zhuǎn)移到氙燈的效率。氙燈阻抗是時(shí)間和電流密度的函數(shù)，根據(jù)Gonze模型，氙燈非線性動(dòng)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(fù)載的電阻系數(shù)通過計(jì)算確定為K=21。

　　氙燈放電回路的Pspice模型如圖3所示。