摘 要： 介紹了一種半橋式激光電源的設(shè)計(jì)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了論述。該激光器基于PWM控制芯片SG3525，采用恒頻脈寬調(diào)制控制方式，自動(dòng)調(diào)整輸出功率得到穩(wěn)定的電源輸出。對(duì)脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路以及虛假過流診斷電路。該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定性好，有效降低了成本。
關(guān)鍵詞： 激光電源；SG3525；脈沖變壓器；過流保護(hù)
波長(zhǎng)為9～11 μm的CO2激光器因其效率高、光束質(zhì)量好、功率范圍大(幾瓦～幾萬瓦)、能連續(xù)輸出又能脈沖輸出、運(yùn)行費(fèi)用低等眾多優(yōu)點(diǎn)成為氣體激光器中最重要的、用途最廣的一種激光器。它在材料加工、醫(yī)療、科學(xué)研究、檢測(cè)、國(guó)防等方面有廣泛應(yīng)用。CO2激光器是一種混合氣體激光器。CO2為激光物質(zhì)，其他氣體如He、N2、CO、Xe、H2O、H2、O2等都是輔助氣體。它們的作用都是為了增強(qiáng)激光輸出[1]。
激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)激光器裝置的效率。典型的PWM 變換器式高頻開關(guān)電源有單端激勵(lì)、推挽、半橋、全橋4種形式[2]。其中半橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)管承受壓力小、抗不平衡能力強(qiáng)、不易直通等優(yōu)點(diǎn)[3]，變壓器初級(jí)在整個(gè)周期中都流過電流，磁芯利用充分，且沒有偏磁的問題，所使用的功率開關(guān)管耐壓要求較低，開關(guān)管的飽和壓降減少到了最小，對(duì)輸入濾波電容使用電壓要求也較低[4]。因此，半橋拓?fù)涫侵行」β始す馄麟娫闯Ｓ玫慕Y(jié)構(gòu)。
本文采用SG3525作為控制芯片，設(shè)計(jì)了使用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)IGBT的一種新式激光電源。在此電源中，脈沖變壓器工作于差分輸入方式。文章詳細(xì)給出了電源的工作原理、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性和電源的高可靠性。
1 電源系統(tǒng)
1.1 主電路拓?fù)浼捌淇刂品桨?br />
主電路如圖1所示。L1～L4、C1、C2構(gòu)成網(wǎng)路濾波電路，R為熱敏電阻，限制系統(tǒng)上電和逆變啟動(dòng)瞬間的浪涌電流。Q1、Q2為IGBT，與無感電容C3、C4構(gòu)成逆變電路，Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)序如圖2。在T1～T2階段，Q1導(dǎo)通，電容C3經(jīng)由Q1、T、Cg放電，同時(shí)對(duì)C4進(jìn)行充電。T2～T3階段，為死區(qū)時(shí)間，Q1、Q2均截止。在T3～T4階段，Q2導(dǎo)通，工作原理與T1～T2階段相同，電流方向相反。T4～T5階段與T2～T3階段相同。這樣在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)在高壓包初級(jí)端上形成15 kHz的交變方波。經(jīng)過升壓整流后向激光管提供連續(xù)電壓，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，可改變高壓包次級(jí)輸出平均電壓。Q1、Q2的耐壓值應(yīng)大于2×160 V，電流應(yīng)大于3×Pout/160。本設(shè)計(jì)中要求激光器最大輸出功率為180 W，假設(shè)能量轉(zhuǎn)換效率為20%，則Pout=900 W，所以Q1、Q2電流應(yīng)為16.875 A?？紤]開關(guān)管的質(zhì)量與變壓器輸入電壓的偏差，選取額定電流大于20 A，采用FGA25N120ANTD[5]。
為防止兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱引起高壓包偏磁和直流磁飽和，在電路中串入隔直電容Cg來自動(dòng)平衡變壓器一次電壓側(cè)的直流分量。
圖1中，對(duì)R1、R2取相同電阻值作為平衡電阻可使C1與C2充電電壓相等，同時(shí)構(gòu)成CX的放電電路。RX1、CX1、RX2、CX2構(gòu)成吸收電路，用來吸收高頻尖峰。H為霍爾電流傳感器，其輸出FK與主回路電流大小成正比例關(guān)系，本設(shè)計(jì)中選用CSK7-10A，額定電流為10 A，額定輸出為4 V。FK作為反饋信號(hào)連接至CA3140同相端。該傳感器不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，且具有較高的測(cè)量精度。
本設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)與過流診斷處理兩部分。
1.2 控制電路
控制電路以SG3525+CA3140為核心，采用恒頻脈寬調(diào)制控制方式，輸出功率外部(WT)可調(diào)，且外部調(diào)節(jié)信號(hào)變化范圍為0～5 V，如圖3。
外部調(diào)節(jié)信號(hào)WT與霍爾電流傳感器反饋信號(hào)FK分別輸入運(yùn)放CA3140同相與反相端，形成差分輸入。經(jīng)CA3140放大后輸出至R11，結(jié)果為：
其中RZ1=R6//C13，RZ2=R7//C11。
SG3525的誤差放大器構(gòu)成射極跟隨器，這樣使得反饋信號(hào)比較精確，能精確地控制占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，提高了穩(wěn)壓精度。SG3525芯片振蕩頻率的設(shè)定范圍為15 kHz～20 kHz，其振蕩頻率可表示為：
式中：CT、RT分別是與管腳5、管腳6相連的振蕩器的電容和電阻，Rd為放電端電阻值，與管腳7相連。CT、RT、Rd分別為圖中的C14、R12、R13，取值分別為3 300 pF、10 kΩ、1 kΩ，頻率為15.4 kHz。由于管腳5與管腳7之間放電電阻R12的存在，使得兩路輸出信號(hào)之間存在一定的死區(qū)時(shí)間，從而避免同一橋臂的IGBT出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。死區(qū)時(shí)間由R12與C14共同決定，即：
管腳8接一個(gè)電容來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，該電容由內(nèi)部5 V基準(zhǔn)參考電壓的50 μA恒流源充電，使占空比由小到大(50％)變化， 減少了開機(jī)時(shí)對(duì)IGBT的沖擊。
通過外部信號(hào)調(diào)節(jié)可將激光器輸出調(diào)至所需功率，在調(diào)節(jié)過程中FK與WT構(gòu)成差分輸入，隨著WT對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)WT不再進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，F(xiàn)K開始調(diào)節(jié)脈沖寬度。主電路中電流增大時(shí)，F(xiàn)K增大，由于WT不變，差分放大器的輸出電壓減小，使得SG3525輸出脈沖的寬度減??；當(dāng)主電路電流減小時(shí)，F(xiàn)K減小，差分放大器輸出電壓增大，SG3525輸出脈沖寬度增大。如此可使激光器得到穩(wěn)定功率輸出。
1.3 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路
驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)隔離電路。SG3525的輸出經(jīng)過推挽電路后，兩路相位相反的脈沖波加至脈沖變壓器原邊的兩端構(gòu)成差分輸入，形成交變驅(qū)動(dòng)，兩路隔離的輸出分別經(jīng)二極管整流后驅(qū)動(dòng)IGBT。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其中，G1、E1和G2、E2分別接Q1柵極、發(fā)射極和Q2柵極、發(fā)射極。
當(dāng)同名端脈沖電壓為正時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1為高電平，Q1導(dǎo)通，由三極管Q7構(gòu)成的泄放電路截止；D19、D20截止，G2為低電平，Q2截止，同時(shí)Q8導(dǎo)通，可快速泄放Q2柵極電壓，加速Q(mào)2截止。當(dāng)同名端脈沖電壓為負(fù)時(shí)，D14、D15截止，G1為低電平，Q1截止，同時(shí)Q7導(dǎo)通，可快速泄放Q1柵極電壓，加速Q(mào)1截止；驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2為高電平，Q2導(dǎo)通，由三極管Q8構(gòu)成的泄放電路截止。
R31、R43用于抑制IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰，R29//C23、R41//C27可以防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。IGBT柵極電壓波形如圖5中波形2所示。
由圖中可看出，由于關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓為負(fù)電壓，可使開關(guān)管迅速關(guān)斷，防止開關(guān)管誤導(dǎo)通，使電源更可靠地工作。
在激光器中采用了過流保護(hù)、虛假過流屏蔽、過熱保護(hù)等。過流保護(hù)即在驅(qū)動(dòng)電路中A(G1)、B(E1)點(diǎn)之間加入如圖6所示過流保護(hù)電路[7]。IGBT正常導(dǎo)通時(shí)A點(diǎn)電壓為15 V，穩(wěn)壓管DW1(選用C3V0)反向擊穿穩(wěn)壓為3.0 V，DW2(選用C6V8)未擊穿，此時(shí)D點(diǎn)電壓低于E點(diǎn)電壓，光耦P521不導(dǎo)通，Q9截止，輸出信號(hào)為低電平。當(dāng)負(fù)載短路等發(fā)生過流現(xiàn)象時(shí)，由于CE極間電壓Uce上升很多，使得D17反向截止，D點(diǎn)電位升高，當(dāng)D點(diǎn)電位大于DW2反向擊穿電壓時(shí)，DW2將D點(diǎn)電位穩(wěn)定在6.8 V，此時(shí)，光耦P521導(dǎo)通，電容C26通過R35充電，F(xiàn)點(diǎn)電位開始升高。若光耦持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間大于C26充電時(shí)間，當(dāng)C26的充電電壓達(dá)到擊穿穩(wěn)壓管DW3的電壓，使三極管Q9飽和導(dǎo)通輸出高電平，觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器鎖定過流指示信號(hào)，送至SG3525的10腳封鎖PWM脈沖信號(hào)和實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)動(dòng)作。若是虛假過流，在Q9飽和導(dǎo)通前光耦截止，不會(huì)觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器，電路自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。C26充電時(shí)間由R35、C26決定。
過熱保護(hù)通過在IGBT散熱片上安裝溫控開關(guān)與過流信號(hào)并聯(lián)接至SG3525的10腳。當(dāng)過熱導(dǎo)致溫控開關(guān)斷開或者發(fā)生過流現(xiàn)象時(shí)，10腳電平變?yōu)楦唠娖綇亩P(guān)閉PWM輸出。
上述激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，驅(qū)動(dòng)可靠，設(shè)備在滿負(fù)荷下能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，已成功用于激光切割技術(shù)。實(shí)踐證明，該電源配合激光管后功率可調(diào)，故障率低，能保證激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄧開發(fā)，陳洪，是度芳，等．激光技術(shù)與應(yīng)用[M]．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2002：37-66．
[2] 彭曉原，李適民，鄔鶴清，等．CO2氣體激光器激勵(lì)電源的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]．激光雜志，1997，18(1)：1-5．
[3] 段軍，梁雙建，趙俠，等．MOSFET式高頻激勵(lì)連續(xù)/脈沖CO2激光電源[J]．應(yīng)用激光，1995，15(1)：30-33．
[4] 唐軍，尹斌，馬利軍．一種基于3525的半橋高頻開關(guān)電源[J]．中國(guó)科技論文在線，2007.
[5] 寧喜發(fā)，姚建銓，王鵬，等．開關(guān)型CO2激光治療儀電源的改進(jìn)［J］．激光雜志，2002，23(4)：73．
[6] 王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)[M]．第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：132-146．
[7] 孟志強(qiáng)，陳燕東，周華安．基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(6)：63-67．