全桥型IGBT脉冲激光电源

2011-05-18 12:11:56来源: 互联网

摘要:文章介绍高压氙灯设计的IGBT脉冲激光电源,详细阐述了工作原理、设计方法和仿真过程,并给出实验波形。其主电路采用全桥PWM工作方式,该电源具有很高的可靠性和良好的动态调节性能。

关键词:脉冲激光电源PWM

Full- bridge IGBT Pulsatile Laser Power Supply

Abstract:The paper introduces the IGBT pulsatile laser power supply designed for high voltage Xenon lamps,and describes its operation principle,designition and simulation.Experimental results are given.Its main circuit operates at full- bridge PWM mode.This power supply has the advantages of high reliability and excellent dynamic regulation performance.

Keyword: Pulse Laser Power Supply PWM

1引言

近年来,高功率Nd:YAG固体激光器已广泛用于工业加工领域和医疗仪器领域,如材料加工、激光测距、激光打标、激光医疗、激光核聚变等。与气体激光器或其他激光器(如化学激光器,自由电子激光器等)相比,固体激光器具有结构紧凑、牢固耐用等优点,其运行方式多样,可在脉冲、连续、调Q及锁模下运行。

2原理框图

本文介绍的激光电源为工作于重复脉冲方式的固体激光器提供电能。该激光器采用氙灯作泵浦光源,在惰性气体灯中,氙气的总转换效率最高。激光器用于激光打标,工作频率每秒60次。电源系统采用IGBT管全桥逆变方式,工作频率为20kHz,控制电路采用PWM方式。

图1原理框图

图1示出电源原理框图,整个电路可分为主电路(电力变换电路)和控制电路两大部分。来自电网的380V交流电压经整流滤波后得到约520V左右的直流电压,加到桥式逆变器上。逆变器主功率开关采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM电路产生一对相位互差180°的脉冲电压控制逆变桥的四个功率管,将直流电压变换为高频方波电压,再经高频高压整流桥得到高压直流(约1400V),向储能电容Co充电。电容Co上电压充到预定值(1000V)后,控制电路发出信号,将放电晶闸管触发导通,Co上电压快速向负载氙灯释放,激光器正常工作。

预燃触发电路针对负载氙灯特性而设,该型激光器要求先通入近两万伏的高压脉冲,将其内部击穿,再维持较低的连续电流(约100~200mA),激光器才能在电容Co的断续放电状态下正常工作。因此,电源的工作步骤应是:开机——预燃触发——电容放电。

3工作原理及仿真波形

    图2示出电源主电路,V1—V4组成桥式逆变器,两端并联RCD吸收支路,L为限流电感,Co为储能电容,Lo用于限制Co对负载氙灯的放电电流,保护氙灯。

图2主电路图

与文献1中介绍的激光电源不同,此处将限流电感L放在变压器原边。这除了能实现功率管的零电压开通外,例如在V1,V4关断后,由于L的续流作用,D2,D3导通,则V2,V3可实现零电压开通;还可分担变压器原边绕组上的压降,减少变压器匝数,进而减小变压器磁心。

图3为利用PSPICE软件对图2仿真的结果。图中上部为变压器原边绕组电流i1,下部为输出电压Uo。

图3仿真波形

  仿真参数:开关频率f=20kHz,

  死区时间t=2μs,

  L=100μH,变压器变比N1:N2=24:60

  C0=100μF。

4设计要点

  电源系统中,电感L与高频变压器T的设计是关键。从图2看出,逆变电路的负载只有电感L及变压器T的原边,当功率管导通,直流电压Ui加于图4所示位置时,电感上电压为Ui-UT1,则变压器原边电流i1=(Ui-UT1)t/L

图4计算电路

式中,UT1为输出电压Uo(高压整流桥导通时就是UT2)折算到变压器原边的值,UT1=U0/n,n为变压器副、原边匝比,又△Uo=(1/C0),

  i2=i1/n

考虑到输出电压在逐步上升,而电流i1的幅值在不断下降,计算过程应该是一个迭代过程。

i1(m)=[Ui-U0(m-1)/n]t/L

U0(m)=U0(m-1)+△U0(m)=U0(m-1)+(1/C0)(i1(m)/n)dt

=U0(m-1)+Uit2/2CLn-U0(m-1)t2/2CLn2

其中,t为半个周期,开关频率f为20kHz时,t=25μs;C0=100μF;L为限流电感电感量。

  根据负载特性,最大工作频率为60Hz,即储能电容在1秒钟内放电60次,周期为16.7ms。考虑放电时间,则充电时间最多只有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

用MATLAB对上式进行计算,并绘出不同的L值、不同的n值、不同的直流电压Ui(Ui有一允许变化范围)情况下,电容电压U0的上升曲线。从中选取最佳方案,最终确定参数如下:

L=100μH

  n=N2:N1=60:24

图5中,横坐标表示变压器副边绕组匝数N2,纵坐标表示输出电压U0,在L=100μH,Ui=520V,f=20kHz,N2=60时,输出电压U0为峰值。

 

图5MATLAB计算最佳变比

5试验结果

图6为实测波形,(b)图示出(a)图的前几个周期。图中上部是变压器原边电源i1波形,下部是储能电容U0的电压波形,与图3仿真波形对应。由图中看出,i1为零后,U0并未立刻下降,而是保持一段时间,这是因为充放电时间固定的缘故,当U0达到预定值后保持至充电时间终了。

图6实验波形

关键字:桥型  igbt  脉冲  激光

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0518/article_8683.html
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