YAG脉冲激光电源硬件电路的设计

摘要：深入分析了YAG脉冲激光电源的工作原理，根据氙灯特殊的电气特性，设计了硬件电路和软件程序。采用MOSFETS场效应管半桥逆变器，以SG3525为驱动的PWM技术的电源设计，针对氙灯泵浦YAG激光器对驱动源的要求，研制了YAG脉冲激光电源，并提高了开关频率，大大减小了电源的体积和重量。电源在实际运行中稳定可靠。
关键词：氙灯；PWM；半桥逆变器；场效应管

    YAG激光器是一种固体激光器，它的电源是YAG激光器系统的重要组成部分。YAG激光器采用氙灯作为泵浦源，因此必须具有一台与其相适应的氙灯供电电源。对于该激光器电源来说，它的负载是脉冲氙灯，当氙灯内有脉动大电流流过时，脉冲氙灯进行弧光放电，则YAG激光器的工作物质一掺钕钇铝石榴石晶体吸收0．7～0．9 μm范围内的光能而形成受激辐射，从而发出激光。
    为了点燃脉冲氙灯，必须具有氙灯的触发电路、储能电容器的充电电路、以及储能器的放电电路，从而组成一个完整的激光器电源电路。

1 激光电源整体设计方案
    在仔细分析了YAG激光电源的工作原理和它在使用过程中对电源提出的具体技术指标后，可提出以下的大致电路总体设计方案，并以框图的方式表示，如图1所示。

    整个系统的各个单元的设计是围绕着总体设计方案展开的。对其中重要的、对技术指标实现有较大影响的单元，有必要进行方案的分析、对比、筛选，以及深入的理论分析。

2 激光电源的硬件电路设计
2．1 SG3525 PWM控制器及其外围电路
    由电源24 V供电，经过LM7812稳压至12 V，从而作为SG3525的供电电源，变压器的电源为电源直接引出24 V，进行升压操作。LM7812最大输出电流为1 A，如下图所示。

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    目前各种PWM器件很多，可用分离元件直接搭成，例如用单结晶体管。也可利用集成电路芯片，常用的如7 494，3524，3 525等，此电路的目的是产生全桥逆变器所需要的相位相差180°的两组触发信号。本节就SG3525为例，阐述该信号的产生及驱动。
    SG3525A允许8～35 V的宽范围工作电压，可输出可调频率、脉宽可调驱动信号f=1／(C(0．7RT+3RD))，并可进行正负脉冲间死区时间调节，对输出脉冲进行封锁等功能。特别适合于全桥逆变器的驱动信号控制。
    PWM技术逆变电源的核心技术。本文着重介绍了一种实际中针对YAG激光系统逆变电源的控制方案，并在实践中得到进一步验证，并且借助该方案，如图3所示。

2．2 高频变压器的计算
    1)功率容量的估算按照式150 W，70 kHz开关电源的设计功率容量为：
   
    式中，PT-电源的额定输出功率；η-电源的效率，这里取0．92；f-开关频率70 kHz；Bm-最大磁通密度，这里选取1000 GS；δ-线圈导线的电流密度；Km-窗口的填充系数，这里取0．5；Kc-磁芯的填充系数，这里取Kc=1．0；
    计算出Ap选用罐型PC40破芯符合尺寸要求，则有效截面积为：

    代入式(5)中得出Ns=260．6，取261匝。原副边匝数比，n=0．03。 [p]
    4)线圈中电流的计算与选择绕组导线
    初级线圈峰值电流
   
    则有最大绕线直径。
2．3 过压保护电路设计
    电压高功率小电流只需要采用过压保护过压保护电路是为了防止储能电容器上充电过高而损坏电容器，并且单次放电能量过大，达到氤灯的爆炸功率，而损坏氙灯或激光器。具体电路如下图。

    此过压保护电路较简单，电压取样经跟随器输入到比较器的同相端，当取样信号超过限定值时，比较器输出高电平到控制器的外部中断引脚，并立刻响应中断，向SG3525发出高电平对逆变器封锁。C7和R15组成滤波网络消除电压取样信号中的毛刺，防止保护电路误动作。LED3是过电压指示。 [p]
2. 4 触发电路设计
    本文采取的触发电路如图5所示。

    C9从R14两端分的电压，当VQ3触发高电平时候，C9瞬间放电，触发端出现4 000～6 000 V的高压，使氙灯电离，氙灯内阻很低，同时储能电容器放电，氙灯发光。
    可控硅元件的工作原理：由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，如表1所示。

    采用的可控硅为：CR20AM，最大导通电流IT=20 A，击穿电压VDRM=800 V，维持电流IGI=50 mA。其他的硬件电路图就不一一介绍。

3 结果与分析
    根据以上的设计，进行整机安装调试，电源尺寸为7．8 cmx4．5 cm，达到小型化的要求，通过实际测试发现，激光器电源工作稳定可靠，达到了对电源提出的各项指标。表2列出了当储能电容器为30μF时，该电源充电电压最高为1 200 V时，最高放电次数为20次／秒。