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大电压、高重复率脉冲激光器电源
摘要：随着激光在工业，农业，医疗，军事等领域的广泛应用，其对激励电源的要求也越来越高。在本文中，描述了用于脉冲激光的高电压、高重复频率充电电源，其使用串联谐振和功率电子转换的原理，电源中使用了一个高频高压变压器和一个高压硅整流器，使其输出功率可以达到20kW。电源的控制系统是基于数字信号处理器，使输出电压可以调节在0和30 kV之间，重复频率可以在1和100Hz之间调节。一些其他功能比如PC控制和键盘本地控制两种控制模式的遥控器装置已经设计完成。为了扩展该电源的应用，还提供了用于脉冲激光系统的电源和其他设备的同步控制的外部触发控制接口。在实验中，本文描述的电源用作脉冲激光器的激励电源。实验结果表明，该电源可以有效地工作。
关键词：控制系统，数字信号处理器（DSP），电磁兼容性高，重复频率高供电电源（HVRFCPS），脉冲激光器。
- 绪论
随着科技的发展，脉冲激光被广泛应用于工业，农业，医药，军事领域。脉冲激光器的电源是激光系统的重要组成部分，因为电源直接影响激光转换效率，输出稳定性，整个系统的体积和使用寿命激光。普通激光电源的基本要求是性能好，体积小，重量轻，可靠性强，稳定性高。但是对于激光器的不同应用，特殊电源不仅满足上述要求，还满足充电电压可调，放电频率可调，人机交互，遥控，扩展应用等多种功能的要求。所以设计实用的激光电源是研究激光器的关键。
在本文中，描述了用于脉冲激光的高压重复频率充电电源（HVRFCPS），其采用串联谐振和功率电子转换的原理。HVRFCPS的主电路包括高频逆变器，串联谐振电路，高压变压器和二极管整流器；它是普通高频高压充电电源的基本电路。控制系统由数字信号处理器（DSP）和计算机软件组成。在该控制系统中，实现了几种特殊功能，如调节0〜30kV输出电压，1〜100Hz之间的重复频率调节，电脑或键盘控制电源，通过内部控制器或外部接口触发电源的调节开关。为了确保激光系统的操作人员和设备的安全，HVRFCPS中使用多个故障保护电路，如过电压保护，过流保护，超时保护和过温保护。光纤通信系统用于提高HVRFCPS的抗干扰能力，并描述了应用HVRFCPS的其他电磁兼容设计。 最后，HVRFCPS已被用于脉冲激光系统，并获得了良好的实验结果。
- 主要电路和HVRFCPS的工作原理
在许多激光器电源中，串联谐振主电路被广泛使用。这种电源结构简单，充电率和功率密度均高于其他电源。HVRFCPS的主电路由三相交流电源，三相继电器，三相整流器，直流电压源，全桥逆变器，谐振电路，高频高压变压器，高压整流二极管，负载和放电开关，其电路如图1所示。当电源工作时，三相继电器闭合，三相整流器将交流电源转换为直流电源，将直流电源中存储的能量转换为直流电压，然后直流电压通过高频逆变器转化为高频方波电压。串联谐振电路保证了设备逆变器的软开关，并且变压器可以提高逆变器的输出电压。然后，通过整流二极管可以获得高直流电压，负载开始充电。充电完成后，放电开关就可以通过内部控制器或外部接口发送的触发信号关闭。然后，一个充电和放电周期完成，下一个周期将开始如果设定为重复工作模式。根据变频器工作频率fs与串联谐振电路的谐振频率fr的关系，充电电源的工作模式可分为以下三种：
- fsgt;fr：连续电流模式，意味着器件工作在硬开关模式。
- fr/2lt; fslt; fr：连续电流模式，这意味着器件工作在硬开关导通但软开关断开的模式。
- fslt; fr：不连续电流模式，这意味着器件工作在软开关模式。
综合比较上述三种模式后，本文采用第二种模式。这是因为这种模式不仅通过其大的充电功率满足充电要求，而且还通过其小的电磁干扰来提高电源的可靠性。为了减少在相移过程中硬切换造成的干扰，使用由电阻，电容和二极管组成的吸收电路来降低开关损耗并保护器件。为了避免变频器和变压器在电源工作时引起的噪声，变频器的工作频率应设定在音频范围内。根据上面介绍的fs和fr之间的关系，在这个系统中fs设定为20KHz。在该HVRFCPS中，将主电路的谐振电感器Lr设定为23mu;H，将谐振电容Cr设定为0.8mu;F，由此可以计算fr：
如（1）所示，谐振频率为37.1kHz，该值满足上述第二模式，因此选择谐振电感和电容的参数是适合的。
- 控制系统和电磁兼容性
A.数字信号处理器实现的功能
根据为脉冲激光器设计的HVPFCPS的要求，选用DSP TMS320LF2407A作为主控芯片，其具有功耗低，工作频率高，程序容量大等特点。脉冲激光器的多重功能可以通过对DSP编程实现，DSP程序由主程序和中断程序构成。主程序控制DSP复位和初始化时系统开机。然后，如果没有中断，主程序成为故障检测的循环执行。当发生一些中断时，DSP可以判断中断的优先级，并跳至最高优先级中断来执行程序。当中断程序完成时，DSP将返回执行中断处的主程序。图2是中断程序的流程图，中断的优先级由不同功能的重要程度分开。如图2所示，最高优先级中断为INT1，可以在紧急情况下通过键盘实现停止充电和主电路中断功能。第二优先中断INT2是PWM信号和反馈电压计算程序，可以保证PWM信号的稳定性和反馈电压的精度。INT3是DSP中定时器和计数器的程序。该程序计算NSPPS的重复频率和工作时间，然后发出启动和停止信号。INT4实现了外部触发的扩展功能信号过程，以配合脉冲激光系统中的其他设备。计算机和DSP之间的SCI通信由INT5的程序实现，最后一个优先级中断INT6是AD转换器的采样程序。
B.光纤通信系统
由于脉冲激光系统的恶劣电磁环境，HVRFCPS的控制系统容易受到干扰[8]，因此采用光纤通信系统来提高控制系统的抗干扰能力，包括计算机与DSP之间的通信控制系统和光纤反馈系统的负载电压。
光纤通信控制系统由光电转换模块和光纤构成，如图1中控制电路中的虚线所示。光电转换模块有助于将电信号转换为光信号，并且该过程中的所有电信号都被小电容滤波，因此即使在恶劣的电磁环境中，控制信号和反馈信息也是清晰的。在光纤反馈系统中，采用电压-频率变换电路和光纤隔离电路，防止当电容放电时由大电流引起的接地电极干扰。负载电压采用比例为1：1000的电阻分压器进行采样后，通过电压-频率转换器和光电转换器对0-10 V范围内的反馈电压进行滤波处理。控制系统接收该频率的光信号并将其转换为电频信号，DSP可以通过内部定时器和计数器计算负载电压。
C.故障检测保护电路
由于其众多器件，HVRFCPS是经常发生故障的设备之一，并且在脉冲激光系统中重复工作。因此，设计故障检测和保护电路非常重要，以保证操作人员和系统的安全。故障检测电路包括过电压检测，过电流检测，过温检测和超时检测，通过该检测可以在发生故障时立即停止HVRFCPS的工作。
前三个故障检测电路的工作原理是通过比较器比较设定值和采样值，并将结果发送到触发器以锁定故障信号，信号由光电耦合器隔离后，DSP可以 接收和检测故障信号，并停止PWM保护HVRFCPS。超时间故障检测由双精度单稳态多谐振荡器承载，通过调节谐振电容和电阻的参数来设定触发时间。HVRFCPS的开始充电信号也发送到该电路的复位端口，一旦充电时间长于触发时间，停止信号将由电路发出。 当DSP检测到故障信号时，不同的故障信号也会反馈给计算机软件，软件会向脉冲激光系统的操作员显示故障。
D.计算机软件设计
HVRFCPS的计算机软件是一个控制和监控界面，可以安装在Windows XP或其他Microsoft操作系统中。它是由Visual Basic语言设计的，易于编程。该软件可以发送命令来控制HVRFCPS工作，如启动，停止，复位等。单独或重复充电可以通过选择软件上的工作模式进行设置。如果模式选择重复频率，可以通过输入软件相应输入框中的设置值来设置充电时间。也可以设置充电电压和充电时间，软件也可以选择触发模式。HVRFCPS的充电电压和重复次数等参数可以在显示区域显示，当HVRFCPS工作异常时，也可以通过弹出对话框提示故障信息。所有工作状态和实验参数都可以记录在软件的记录区上，记录可以作为相关文件保存在实验日期命名的不同文件夹中。
E.控制系统的电磁兼容性设计控制系统必须具有良好的电磁兼容性，以适应脉冲激光的恶劣环境。电磁兼容性设计不仅在电路板上，而且还在控制系统的所有部分上进行。为提高系统的抗干扰能力，采取以下措施：
（1）双绞线用于传输电源供电给系统的其他部分并且在双绞线上使用磁环进行过滤差模干扰。
（2）在不同的电路板之间使用光电耦合器来隔离由不同电源和不同接地引起的干扰，从而信号可以清晰可靠地传输。
（3）采用滤波电容的不同值对输入和输出信号的不同频率干扰进行滤波，使信号准确。
（4）PWM的适当驱动电路用于驱动逆变器的IGBT。电路确保PWM信号准确，变频器正常工作。
（5）由电阻器，电容器和二极管构成的吸收电路用于吸收开关器件在高频工作时引起的尖峰电压。
（6）220 V交流电源使用特殊滤波器，以消除电网造成的干扰。
（7）控制板封装在独立的空间内，可以抵抗金属板的空间辐射，使设备不受干扰。
4.重复充电实验
HVRFCPS的重复充电实验在脉冲激光系统中进行。三相380V交流电源用作主电路的输入电源，220V交流电源用作控制系统的电源，如图1所示。使用0.4mu;F高压电容作为系统负载，高压晶闸管用作放电开关。其中一组实验参数由软件设置如下：
1）充电保护时间：7 ms；
2）充电电压：20kV；
3）工作模式：重复工作；
4）重复频率：50Hz；
5）重复工作次数：6000；
6）触发模式：内部控制器触发。
为了证明HVRFCPS可以正常工作，测量一些电气参数，如变频器的输出电压，谐振电流和负载电压。 这些电气参数的波形由Tek2024示波器显示和保存，如图3-5。在下图中，CH1对变频器输出电压进行采样，CH2采样谐振电流，CH3采样负载电压。图3显示出了谐振电压，谐振电流和负载电压的波形。显然，当HVRFCPS工作在重复模式时，负载的充电电压在每次充电工作中是相同的，通过控制系统的控制改进了HVRFCPS的充电精度。每个充电时间内谐振电流波形的包络线基本相同，充电率基本一致。为了通过示波器的光标测量充电周期的实际重复频率，两个充电周期之间的时间为20ms，重复频率为50Hz。
图4显示出了一次充放电期间的谐振电压，谐振电流和负载电压的波形。 充电时间也可以在波形上测量，约为4.8ms。波形显示：当充电过程完成后，HVRFCPS关闭输出电压和电流，放电信号在约0.1ms后发出，确保HVRFCPS在放电过程中的安全。HVRFCPS的输出功率可以通过充电时间，充电电压和负载容量计算出来：
由于HVRFCPS作为恒流电源，当输出电压达到峰值时，输出功率将最大化。在30kV充电实验中，充电时间约为8ms，输出功率约为22kW。
图5显示出了两个工作周期中的谐振电压和谐振电流的波形。如图5所示，HVRFCPS的工作频率为20kHz，谐振电流的峰值为约110A，谐振电流的波形为连续，与第二部分所述的第二工作模式一样。谐振电压的波形表明，当IGBT开关导通或在高工作频率下断开时，不存在尖峰，这证明吸收电路用于保护开关器件。波形还表明，当谐振电流为零时，IGBT关断，开关损耗小，电磁干扰弱。
图3-5显示，HVRFCPS可以通过计算机软件准确地作为设置参数进行工作。 重复频率，输出功率，充电电压等功能可以满足大多数脉冲激光器之前激励电源的要求。控制系统的设计和电磁兼容性设计有效，HVRFCPS工作状况良好。
5结论
由于普通电源不适用于脉冲激光系统的恶劣电磁环境，因此设计了具有特殊功能，抗干扰能力强的HVRFCPS。介绍HVRFCPS的主要电路和工作原理，并详细介绍了控制系统。由于HVRFCPS的电磁兼容性，由于控制系统由计算机软件和DSP程序组成，HVRFCPS具有以下功能：
1）充电电压可调0〜30kV，最小步距为0.5kV;
2）重复频率可调0至100 Hz，最小步长为1 Hz;
3）由计算机或键盘选择的两种控制模式;
4）通过单次充电或重复充电可选择两种工作模式;
5）由内部控制器或外部接口选择的两种触发模式;
6）光纤长距离换向，避免电磁干扰;
7）多重故障保护，确保操作人员和脉冲激光系统的安全。
对脉冲激光系统进行重复充电的实验，并对示波器进行电参数采样和显示。脉冲激光器应用的实验结果证明HVRFCPS可以有效地工作。
用于脉冲电源的恒定电流高压电容器充电电源
2系统配置
该系统由整流器，三相逆变器，谐振电感器和电容器以及高压整流器组成，如图1所示：
A.逆变器
输入整流器由三个晶闸管（Sa，Sb，Sc）二极管（Da，Db，Dc）模块（由semikron制造的skkh106/12E）和三个外部小二极管（D1，D2，D3）组成。开关导通，通过二极管（D1，D2，D3，Da，Db，Dc）和充电电阻R对三相交流进行整流。如果直流母线电压达到预设值，则可控硅（Sa，Sb，Sc）可以通过触发信
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