1引言

　　近年來，高功率Nd：YAG固體(ti) 激光器已廣泛用於(yu) 工業(ye) 加工領域和醫療儀(yi) 器領域，如材料加工、激光測距、激光打標、激光醫療、激光核聚變等。與(yu) 氣體(ti) 激光器或其他激光器（如化學激光器，自由電子激光器等）相比，固體(ti) 激光器具有結構緊湊、牢固耐用等優(you) 點，其運行方式多樣，可在脈衝(chong) 、連續、調Q及鎖模下運行。

　　2原理框圖

　　本文介紹的激光電源為(wei) 工作於(yu) 重複脈衝(chong) 方式的固體(ti) 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(ti) 燈中，氙氣的總轉換效率最高。激光器用於(yu) 激光打標，工作頻率每秒60次。電源係統采用IGBT管全橋逆變方式，工作頻率為(wei) 20kHz，控製電路采用PWM方式。

圖1原理框圖

　　圖1示出電源原理框圖，整個(ge) 電路可分為(wei) 主電路（電力變換電路）和控製電路兩(liang) 大部分。來自電網的380V交流電壓經整流濾波後得到約520V左右的直流電壓，加到橋式逆變器上。逆變器主功率開關(guan) 采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM電路產(chan) 生一對相位互差180°的脈衝(chong) 電壓控製逆變橋的四個(ge) 功率管，將直流電壓變換為(wei) 高頻方波電壓，再經高頻高壓整流橋得到高壓直流（約1400V），向儲(chu) 能電容Co充電。電容Co上電壓充到預定值（1000V）後，控製電路發出信號，將放電晶閘管觸發導通，Co上電壓快速向負載氙燈釋放，激光器正常工作。

　　預燃觸發電路針對負載氙燈特性而設，該型激光器要求先通入近兩(liang) 萬(wan) 伏的高壓脈衝(chong) ，將其內(nei) 部擊穿，再維持較低的連續電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續放電狀態下正常工作。因此，電源的工作步驟應是：開機——預燃觸發——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(liang) 端並聯RCD吸收支路，L為(wei) 限流電感，Co為(wei) 儲(chu) 能電容，Lo
 

用於(yu) 限製Co對負載氙燈的放電電流，保護氙燈。

圖2主電路圖

　　與(yu) 文獻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。這除了能實現功率管的零電壓開通外，例如在V1，V4關(guan) 斷後，由於(yu) L的續流作用，D2，D3導通，則V2，V3可實現零電壓開通;還可分擔變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數，進而減小變壓器磁心。

　　圖3為(wei) 利用PSPE軟件對圖2仿真的結果。圖中上部為(wei) 變壓器原邊繞組電流i1，下部為(wei) 輸出電壓Uo。

圖3仿真波形

　　仿真參數：開關(guan) 頻率f=20kHz，

　　死區時間t=2μs，

　　L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60

　　C0=100μF。

4設計要點

　　電源係統中，電感L與(yu) 高頻變壓器T的設計是關(guan) 鍵。從(cong) 圖2看出，逆變電路的負載隻有電感L及變壓器T的原邊，當功率管導通，直流電壓Ui加於(yu) 圖4所示位置時，電感上電壓為(wei) Ui－UT1，則變壓器原邊電流i1=（Ui－UT1）t/L

圖4計算電路

　　式中，UT1為(wei) 輸出電壓Uo（高壓整流橋導通時就是UT2）折算到變壓器原邊的值，UT1=U0/n，n為(wei) 變壓器副、原邊匝比，又△Uo=（1/C0），

　　i2=i1/n

　　考慮到輸出電壓在逐步上升，而電流i1的幅值在不斷下降，計算過程應該是一個(ge) 迭代過程。

　　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為(wei) 半個(ge) 周期，開關(guan) 頻率f為(wei) 20kHz時，t=25μs；C0=100μF；L為(wei) 限流電感電感量。

　　根據負載特性，最大工作頻率為(wei) 60Hz，即儲(chu) 能電容在1秒鍾內(nei) 放電60次，周期為(wei) 16.7ms。考慮放電時間，則充電時間最多隻有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

　　用MATLAB對上式進行計算，並繪出不同的L值、不同的n值、不同的直流電壓Ui（Ui有一允許變化範圍）情況下，電容電壓U0的上升曲線。從(cong) 中選取最佳方案，最終確定參數如下：

　　L=100μH

　　n=N2：N1=60：24

　　圖5中，橫坐標表示變壓器副邊繞組匝數N2，縱坐標表示輸出電壓U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60時，輸出電壓U0為(wei) 峰值。

圖5MATLAB計算最佳變比

　　5試驗結果

　　圖6為(wei) 實測波形，（b）圖示出（a）圖的前幾個(ge) 周期。圖中上部是變壓器原邊電源i1波形，下部是儲(chu) 能電容U0的電壓波形，與(yu) 圖3仿真波形對應。由圖中看出，i1為(wei) 零後，U0並未立刻下降，而是保持一段時間，這是因為(wei) 充放電時間固定的緣故，當U0達到預定值後保持至充電時間終了。

圖6實驗波形