高能脈沖氙燈驅(qū)動電路特性分析

任亞輝，林菊平，童 勇，張 強，劉 攀，夏春燕，王國帥

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

高能脈沖激光器指的是具有較大的輸出功率、每間隔一定時間發(fā)出一個或多個激光脈沖(寬度通常小于250ms)的激光器，廣泛應用于毀傷、焊接、燒蝕等應用場合[1-2]。高能脈沖激光器具有較高的亮度，通常采用脈沖氙燈作為激光源，其工作原理是利用儲能驅(qū)動裝置儲存的電能對高能脈沖氙燈進行放電激發(fā)，儲能驅(qū)動裝置產(chǎn)生的近矩形的驅(qū)動電流波形可以激勵脈沖氙燈獲得穩(wěn)定的高亮度，同時也可以精確控制脈沖氙燈的放電過程[3]。目前，國內(nèi)外氙燈驅(qū)動裝置主要采用脈沖成形網(wǎng)絡(luò)(pulsed forming network,PFN)來存儲初始能量，并通過調(diào)節(jié)脈沖驅(qū)動電流的波形來滿足實際應用需求[4]。

近年來，LIU等人研究了PFN的波形構(gòu)造和精確觸發(fā)控制[5-10];TANG等人研究了PFN電路的時序控制[11];SCHOLFIELD等人討論了真空狀態(tài)下PFN的放電特性[12];LI等人研究了氙燈的放電特性和建模[13-15]。盡管對PFN和脈沖氙燈已經(jīng)做了大量研究工作，實踐中仍然存在一些局限，如增加PFN網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)可以有效改善波形[16]，但由于重量和體積的約束，過多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)可能不能接受；由于PFN放電過程短暫[17]，在很多模型和分析中，氙燈的阻抗都被等效為恒定不變的阻值，而在工程設(shè)計和實際的應用中，氙燈阻抗總是隨導通電流的改變而動態(tài)改變[18]，且阻抗的這種變化會影響PFN放電過程和放電特性[19]。因此，建立包含這種氙燈放電特性的驅(qū)動電路模型，并將PFN和高能脈沖氙燈結(jié)合成為一個整體，結(jié)合工程化進行放電特性的研究，可以更加真實地反映驅(qū)動電路的工作特性，并且有利于進一步推動高能脈沖氙燈驅(qū)動電路的工程應用及拓展。

本文中簡述了PFN的基本原理和脈沖氙燈的放電特性，探討了電氣參數(shù)的計算，通過仿真分析了PFN節(jié)數(shù)、首末電感、網(wǎng)絡(luò)電感等電氣參數(shù)對脈沖電流波形的影響，并分析了PFN節(jié)數(shù)對工程實現(xiàn)的影響。

1 基本組成

本文中闡述的高能脈沖氙燈儲能驅(qū)動裝置由PFN線路和脈沖氙燈兩部分構(gòu)成。其工作原理為脈沖氙燈點火后，經(jīng)充電的PFN網(wǎng)絡(luò)對脈沖氙燈進行短時大電流放電，產(chǎn)生高功率、高亮度的激光。

1.1 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)

脈沖成形網(wǎng)絡(luò)是將R-L-C3種無源器件根據(jù)一定的規(guī)則形成電路組元，利用各組元放電波形的疊加形成滿足實際應用需要的電流波形[20]。PFN有3種類型：一類是根據(jù)雷利法則設(shè)計而來；另外的兩種類型分別是基于導納函數(shù)的有理分式和傳輸線阻抗函數(shù)展開[21]。其中雷利脈沖成形網(wǎng)絡(luò)由多個電路拓撲結(jié)構(gòu)相同的電路組元串聯(lián)而成，如圖1所示。由于雷利脈沖成形網(wǎng)絡(luò)每個電路組元的電容、電感參數(shù)一致，能實現(xiàn)類似方波的脈沖電流輸出，且在工程應用上方便實現(xiàn)，使其成為脈沖功率應用領(lǐng)域的主要網(wǎng)絡(luò)形式[22]。

Fig.1 PFN circuit

網(wǎng)絡(luò)阻抗Z為：

(1)

式中,L∑表示網(wǎng)絡(luò)中各電感之和，C∑表示網(wǎng)絡(luò)中各電容之和。

由于放電開始時刻的電感電流為0，網(wǎng)絡(luò)中的能量全部保存在電容中，網(wǎng)絡(luò)中的能量為：

(2)

式中,U是放電開始時刻電容兩端的電壓。

1.2 脈沖氙燈的放電特性

脈沖氙燈由加在電極的高壓于軸向形成強電場后，在觸發(fā)脈沖作用下，燈管氣體進入類穩(wěn)放電階段[23]，此時氙燈的等離子體電阻率可用下式表示：

ρ=K1j-1/2

(3)

式中,K1為等離子體電阻率系數(shù)；j為電流密度。

此時脈沖氙燈電壓-電流變化規(guī)律用下式描述：

(4)

式中,VAK是電極位降；V和I是氙燈瞬時電壓和瞬時電流；l和d是氙燈的弧長和直徑。

將(3)式代入(4)式，忽略20V左右的電極位降VAK后[24]，脈沖氙燈的電壓-電流特性方程用下式描述：

V=K0I1/2

(5)

K0在理論上只與氙燈內(nèi)的氣體類型和氣壓有關(guān)，目前常用的經(jīng)驗公式首先由GONZE提出：

(6)

式中,p為氙燈內(nèi)放電前氣體壓強。

脈沖氙燈的等效阻抗為：

RDC=K0I-1/2

(7)

脈沖氙燈的放電能量為：

E=TpIm2RDC

(8)

式中,Tp為氙燈放電脈沖寬度，Im為平均電流。

將(7)式代入(8)式可得：

E=TpK0I3/2

(9)

(10)

(11)

2 電路仿真及結(jié)果分析

2.1 電路參數(shù)計算與仿真

Z=kRDC

(12)

式中,k是阻抗匹配系數(shù)。

由于E=E∑,聯(lián)立(1)式、(2)式、(9)式、(10)式、(11)式可得：

(13)

(14)

(15)

建立電路仿真模型如圖2所示，圖中f(u)是激勵函數(shù)。

Fig.2 Simulation model

以某型產(chǎn)品為例，計算電路參數(shù)并進行放電特性仿真。仿真中，放電能量E=10000J，氙燈放電脈沖寬度Tp=1.2ms，氙燈特性系數(shù)K0=61.38Ω·A1/2，根據(jù)阻抗匹配系數(shù)計算電路參數(shù)，如表1所示。

Table 1 Circuit parameters with different k values

為不失一般性，設(shè)置放電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)n=4，仿真結(jié)果如圖3所示。

Fig.3 Pulse current waveform at different k values

由圖3可知，k>1時,驅(qū)動電流會產(chǎn)生反向過沖現(xiàn)象，危害氙燈運行安全;k<0.75時,驅(qū)動電流下降沿會產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，影響氙燈光電轉(zhuǎn)換效率。k的理想設(shè)置區(qū)間為0.75～1。

聽了陳誠的一番話，胡璉這位只有三十六歲的年輕將軍內(nèi)心很復雜。作為黃埔四期的高材生，他在抗戰(zhàn)中屢立戰(zhàn)功，從旅長到副師長，一直到現(xiàn)在成為肩扛將星的師長，多少次出生入死，他早已將生死置之度外。此時，他不想多說什么，作為軍人，他只有服從命令，忠于職守，即使付出鮮血和生命，只要能夠取得勝利，那就是死得其所！想到這兒，他眼含熱淚，雙腳一并，向陳誠敬了一個標準的軍禮，大聲說：“請總司令放心，胡璉決心與石牌共存亡，不成功便成仁。”

2.2 節(jié)數(shù)n對放電波形的影響

對2.1節(jié)中某型產(chǎn)品k=0.75的情況，保持C∑和L∑不變，開展不同節(jié)數(shù)n的仿真分析，設(shè)置節(jié)數(shù)n分別為3，4，5，6，7，8，網(wǎng)絡(luò)中電容和電感均相同，仿真結(jié)果如4圖所示，波形數(shù)據(jù)如表2所示。

由圖4和表2可知，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越大時，脈沖波形前后沿越陡峭，變化速度越快，但節(jié)數(shù)從6增加到8時，脈沖前沿和后沿變化率的變化幅度遠不如節(jié)數(shù)從3增加到5的大。隨著節(jié)數(shù)的增多，放電電流波形中的波峰和波谷數(shù)量也越多，且數(shù)量和節(jié)數(shù)相同，而波峰和波谷的幅值依次減小。可以預見，當節(jié)數(shù)越多時，所產(chǎn)生的放電電流波形越接近矩形。在放電時，無論節(jié)數(shù)有多少，放電電流波形中的第1個波峰均會出現(xiàn)較為明顯的過沖，且波峰的幅值不受節(jié)數(shù)的影響。

Fig.4 Pulse current waveform at different node

Table 2 Influence of node on discharge waveform

2.3 節(jié)數(shù)n對工程實現(xiàn)的影響

對2.1節(jié)中某型產(chǎn)品k=0.75的情況，保持C∑和L∑不變，開展不同節(jié)數(shù)n的工程實現(xiàn)分析，設(shè)置節(jié)數(shù)n分別為3，4，5，6，7，8，網(wǎng)絡(luò)中電容和電感均相同，工程實現(xiàn)后的體積、重量和失效率如表3所示。

Table 3 Engineering parameters at different node

在實際工程應用中，電容和電感往往采用一體化設(shè)計，經(jīng)脈沖成形電路的各元件封裝在一個箱體內(nèi)，設(shè)計結(jié)果顯示，產(chǎn)品的體積、重量和失效率均隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)的增加而近似線性增加，其中失效率隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)的增加而成比例的增加，因此，最終在確定電路結(jié)構(gòu)時應考慮安裝空間、重量以及任務(wù)可靠度的要求，綜合考慮各約束條件來選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)，以滿足工程實現(xiàn)要求。

2.4 首鏈電感對放電波形的影響

對首鏈的電感值進行加權(quán)，為不失一般性，設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)n=4，則：

L2=L3=L4=L

(16)

L1=q1L

(17)

L∑=L1+L2+L3+L4

(18)

設(shè)置首鏈電感加權(quán)值q1為1.8，1.6，1.4，1.2，1，0.8，仿真結(jié)果如圖5和表4所示。

Fig.5 Discharge waveform with different leading chain inductance weights

Table 4 Influence of inductance weighted value of leading chain on waveform

由圖5和表4可知，首鏈電感的電感值改變對放電電流波形第1個波峰的影響較大，減小首鏈電感的電感值可使上升沿變快，但會使波峰的過沖加劇，且第1個波峰后會跟隨有震蕩，增大首鏈電感的電感值可抑制波峰的過沖，但會改變上升時間和下降時間，將首鏈電感加權(quán)至1.2時可明顯抑制過沖，加權(quán)至1.6以上時抑制過沖不再明顯，且上升時間和下降時間顯著增加。因此，首鏈電感加權(quán)值的理想取值區(qū)間為1.2～1.4。

2.5 末鏈電感對放電波形的影響

對首鏈的電感值進行加權(quán)，為不失一般性，設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)n=4，則：

L1=L2=L3=L

(19)

L4=q2L

(20)

L∑=L1+L2+L3+L4

(21)

設(shè)置末鏈電感加權(quán)值q2為1.4，1.2，1，0.8，0.6，0.4，仿真結(jié)果如圖6和表5所示。

由圖6和表5可知，末鏈電感的電感值改變對放電電流波形第1個波峰影響較小，減小末鏈電感的電感值可使下降沿變寬，有效脈寬小幅度變寬，但也會小幅度增加上升時間。因此，末鏈電感加權(quán)值的理想取值點在0.8附近。

Fig.6 Discharge waveform with different end chain inductance weights

Table 4 Influence of inductance weighted value of end chain on waveform

3 結(jié) 論

本文中從工程實現(xiàn)的角度分析了脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)以及電感、電容參數(shù)計算，基于氙燈的放電特性，建立了仿真模型，通過仿真分析了影響脈沖波形的因素，并分析了電路結(jié)構(gòu)對工程實現(xiàn)的影響程度。

在實際設(shè)計過程中，要綜合考慮性能指標要求，以及體積、重量、失效率等應用要求，來確定PFN節(jié)數(shù)，節(jié)數(shù)越多，脈沖波形越接近矩形，但同時產(chǎn)品的體積和重量更大，失效率更高。改變首鏈和末鏈電感值可以調(diào)節(jié)放電電流波形的波峰和波谷幅值，并可以微調(diào)前后沿波形，但波峰最高幅值和脈沖前后沿兩個指標只能平衡，不可兼得，因此，在工程應用中應結(jié)合需求，綜合考慮，合理調(diào)整電路中的各個參數(shù)。