小功率氣體激光器開關(guān)電源的研制

孫 修，江 超

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

小功率氣體激光器開關(guān)電源的研制

孫 修，江 超

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

詳細(xì)介紹了一款小功率氣體激光器開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，對電源的主電路、控制電路、高頻變壓器和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法做了具體的闡述，對設(shè)計(jì)出的電源進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該電源性能良好，電源輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，電源效率高，電源體積小重量輕，有較大的實(shí)踐應(yīng)用空間。

開關(guān)電源；SG3524；PWM；變壓器

近年來，各種各樣的激光器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、教育，特別在軍工行業(yè)應(yīng)用越來越廣，激光器電源作為產(chǎn)生激光能量的泵浦源，是激光器中最重要的部分之一，是決定激光器整體性能的重要指標(biāo)[1]。如何設(shè)計(jì)出重量輕、體積小、損耗低、抗干擾性能強(qiáng)、穩(wěn)定性高、靜態(tài)誤差小、動態(tài)響應(yīng)快和功能齊全的激光器電源一直是激光器電源設(shè)計(jì)的一個(gè)前沿方向。本文針對氣體激光器對電源的要求，設(shè)計(jì)了一款小功率氣體激光器開關(guān)電源，它能夠應(yīng)用于小型氣體激光加工設(shè)備中。

1 小功率氣體激光器開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

氣體激光器在國防、科研、工業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其工作電源一般要求具有起輝快、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。本文根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)了一款小功率氣體激光器開關(guān)電源。電源的基本特點(diǎn)如下：1)輸入電壓：220V，電流3～5A，單相交流電；2)電源輸出電壓：5kV，電流1mA，高頻交流電；3)工作方式：連續(xù)/脈沖工作；4)體積小、重量輕，不用笨重的工頻變壓器；5)開關(guān)電源的頻率：f0= 100kHz.

1.1開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)與分析

圖1 電源原理框圖

電源原理框架如圖1所示，交流電源經(jīng)整流單元1整流、濾波后，變成低壓直流傳送給逆變單元2，逆變單元2由觸發(fā)單元5控制，它可使低壓直流電壓逆變成高頻方波電壓(或正弦波)，然后經(jīng)高頻高壓變壓器單元3，將電壓升高變成高頻高壓輸出。反饋單元6將輸出的高壓信號反饋到觸發(fā)單元5作為控制信號。調(diào)整觸發(fā)單元5的預(yù)置電壓，就可調(diào)節(jié)輸出電壓。單元4是提供觸發(fā)單元5的低壓直流電源。觸發(fā)單元5控制逆變單元2中開關(guān)管的截止與導(dǎo)通。另外，觸發(fā)單元5的控制芯片還有過流、過壓和頻率調(diào)節(jié)的功能，當(dāng)高壓電源輸出出現(xiàn)過負(fù)荷及短路時(shí)，觸發(fā)單元可使逆變單元2停止工作，從而保護(hù)了開關(guān)管和整個(gè)直流電源。

圖2 電源的主電路圖

電源主電路圖如圖2所示，該電路為典型的半橋式逆變結(jié)構(gòu)，根據(jù)開關(guān)電源的基本原理[2～3]，忽略損耗，其工作原理為：假設(shè)整流后的直流輸入電壓為336V，首先忽略小容量隔直電容，則高頻變壓器的初級線圈的下端可近似地的看作連接到C1和C2的節(jié)點(diǎn)。若C1和C2的容量基本相等，則該節(jié)點(diǎn)電壓近似為整流電壓的一半，約為168V.通常的做法是在C1和C2兩端各并接等值放電電阻R1和R2來均衡兩者的電壓。CMOS管T1和T2輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷時(shí)，輸入電壓U0以正極性通過一次繞組的上半部分線圈，電壓極性為上端為正，下端為負(fù)，高頻變壓器的初級線圈的同名端的電壓為+168V，T2承受的電壓為336V，二次側(cè)電流經(jīng)過輸出整流管VD4給輸出濾波電容C0和負(fù)載供電；同理，T2導(dǎo)通、T1關(guān)斷時(shí)，輸入電壓U0以負(fù)極性通過二次繞組的下半部分線圈，電壓極性為上端為負(fù)，下端為正，T1承受的電壓也為336V，此時(shí)高頻變壓器初級線圈同名端的電壓為-168V，二次側(cè)電流經(jīng)過輸出整流管VD3給輸出濾波電容C0和負(fù)載供電。半橋式變換器的工作波形如圖3所示,根據(jù)脈沖開關(guān)電路分析方法，可以得到電源輸出電壓U0，輸出功率P，占空比D以及濾波電感L分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3 半橋式變換器的工作波形

1.2開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)

圖4 SG3524的脈沖控制電路

圖5 SG3524的波形圖

1.3開關(guān)電源控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

為了電源能穩(wěn)定可靠地工作，還設(shè)計(jì)了各種保護(hù)電路。其中對于串聯(lián)調(diào)節(jié)管有管壓降保護(hù)，當(dāng)管壓降超過一定值時(shí)，保護(hù)電路將快速關(guān)斷控制三相交流供電的雙向可控硅。對開關(guān)器件設(shè)計(jì)有溫度保護(hù)，在其散熱器上有熱繼電器測溫，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，用輸出信號去關(guān)斷三相交流接觸器從而切斷三相交流電源。當(dāng)電源產(chǎn)生過電壓或過電流時(shí)，保護(hù)電路將快速封鎖開關(guān)控制器和三相交流雙向可控硅，同時(shí)還將關(guān)斷三相交流開關(guān)，以確保電源不會輸出高壓。為了確保工作人員的安全，在高壓電源開機(jī)時(shí)，一定要保證電壓輸出為零，因此電路中設(shè)計(jì)了在高壓電源關(guān)機(jī)后，控制三相調(diào)壓器自動回零。電源的控制保護(hù)電路如圖6所示。

1.4開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)

2 理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證本課題設(shè)計(jì)的小功率氣體激光器開關(guān)電源到達(dá)理想的要求，本文對設(shè)計(jì)的電源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表格1、2所示。

圖6 電源的控制保護(hù)電路

表1 現(xiàn)有的激光電源發(fā)光情況

表2 本文設(shè)計(jì)的激光電源發(fā)光情況

從表中可以看出現(xiàn)有的激光電源在市電電壓大范圍波動時(shí)，激光器穩(wěn)定輸出的最低電壓為190V，小于190V就會出現(xiàn)發(fā)光不穩(wěn)定現(xiàn)象，市電電壓降到170V時(shí)，激光電源基本沒有激光輸出；而本文設(shè)計(jì)的激光電源在市電電壓達(dá)到160V時(shí)還能穩(wěn)定工作，大幅度提高了現(xiàn)有電源的最低工作電壓范圍，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定激光的輸出，基本完成了設(shè)計(jì)的要求，證明了設(shè)計(jì)電源的可行性。

[1]高經(jīng)伍, 趙鳳華, 孫靈芳. 穩(wěn)流穩(wěn)光型He-Ne激光電源[J].高電壓技術(shù),2003,29(8):36～37.

[2]張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].西安:電子工業(yè)出版社,1998.

[3]周志敏, 周紀(jì)海. 開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[4]張慶雙. 電子元器件的選用和檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[5]江 超, 王又清, 李 波. 小功率氣體激光器軟開關(guān)電源的研究[J].電工技術(shù), 2002,6(6): 78～80.

Designoflowpowergaslaserswitchingpowersupply

SUN Xiu,JIANG Chao

(College of Physics and Electronics, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

A low power gas laser switching power supply has been introduced in detail in this paper. The main circuit, the power supply control circuit, high frequency transformer and the protecting circuit have been elaborated. Results of the theoretical analysis and experimental verification for the power supply are good. The output voltage of the power supply is stable, adjustable. The power supply is high efficiency, small in size and light in weight. The power supply has great application space.

switching power supply;SG3524; pulse width modulation; transformer

2014—05—13

孫修(1990— )，男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆娮悠骷?

TN86

A

1009-2714(2014)03- 0088- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.03.020