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一.常用固體激光電源的組成及特點(diǎn)
1.1 激光電源設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)
電源輸出能量必須使工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大于閾值，超過(guò)越多，輸出光能越大。電源的功率和設(shè)計(jì)方案應(yīng)隨估算出的泵浦能量而定，這主要取決于工作物質(zhì)的電光轉(zhuǎn)換效率。為使激光輸出穩(wěn)定，要求電源的輸出能量必須穩(wěn)定。總體而言有如下幾點(diǎn)：1.為使放電器件有高的動(dòng)力指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)，電源的輸出電壓或電流特性必須與負(fù)特性匹配。2.為使激光器輸出能量均可調(diào)，一些電源主要參數(shù)既能手動(dòng)控制，也能自動(dòng)控制。3.要求電源的泵浦電壓，電流穩(wěn)定。4.激光電源發(fā)展向小型化，重量輕，效率高的方向發(fā)展。5.使用要安全可靠，要有過(guò)壓，過(guò)流等現(xiàn)象的保護(hù)電路。
1.2 傳統(tǒng)固體激光電源的組成
傳統(tǒng)固體激光電源由專(zhuān)用供電電源（充電和放電電路）、預(yù)燃電路、觸發(fā)電路及定時(shí)（同步）電路組成。
1.3 激光電源的工作原理
單向AC220v.50/60Hz輸出整流，經(jīng)軟啟動(dòng)后在濾波電容上形成一個(gè)直流電源。氙燈點(diǎn)燃后，給出信號(hào)到控制板，若主電路沒(méi)有欠壓、過(guò)流，激光器冷卻液斷水等故障，控制板允許主電路工作，產(chǎn)生40kHz左右的震蕩信號(hào)到驅(qū)動(dòng)板，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，功率開(kāi)關(guān)元件VMOS將直流電壓變換成40kHz的交變電壓，經(jīng)過(guò)高頻高壓器進(jìn)行開(kāi)壓，高頻整流橋整流后，送到充電儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)儲(chǔ)能電容充到額定電壓時(shí)，控制板板給出停振信號(hào)，逆變電路停止工作。在系統(tǒng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，儲(chǔ)能電容給氙燈放電。在主電路工作過(guò)程中，調(diào)Q電源給出一個(gè)2000~5000v的晶體高壓。氙燈放電時(shí)，相對(duì)放電信號(hào)延時(shí)50~400us，退壓觸發(fā)信號(hào)也送到調(diào)Q電源板上。另外，電源還具有內(nèi)外時(shí)統(tǒng)轉(zhuǎn)換功能，電源可由外時(shí)統(tǒng)控制放電，并具有時(shí)統(tǒng)輸出端。
二.放電電路的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法
2.1放電開(kāi)關(guān)的選擇
放電電路在激光器電源中起很重要的作用，在放電電路中，把儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器中的電能直接轉(zhuǎn)換成光能，因此放電電路決定了激光器的效率。論文參考，放電開(kāi)關(guān)IGCT。當(dāng)工作物質(zhì)熒光壽命一定時(shí)，要求的泵浦光脈沖就一定。目前占主導(dǎo)地位的功率半導(dǎo)體器件主要有晶閘管、GTO和IGBT等，隨著技術(shù)水平的不斷提高，這些傳統(tǒng)器件無(wú)論在功率容量還是在應(yīng)用復(fù)雜程度等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在實(shí)用方面還存在一些缺陷。傳統(tǒng)GTO關(guān)斷不均勻，需要笨重而昂貴的吸收電路。另外，因其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，所需控制功率大，這就使得設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造成本高，電路損耗大。IGBT雖無(wú)需要吸收電路，但它的通態(tài)損耗大，而且可靠性不高。另外，單個(gè)IGBT的阻斷電壓較近，即使是新型的高壓應(yīng)用場(chǎng)合須串聯(lián)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和損耗。
IGCT是一種新型的電力電子器件，它將GTO芯片與及并聯(lián)二極管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗。IGCT具有電流大、電壓高、開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。此外，IGCT還像GTO一樣，具有制造成本低和成品率高的特點(diǎn)，有極好的應(yīng)用前景。IGCT的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)時(shí)間短，因而在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)，各個(gè)IGCT關(guān)斷時(shí)間的偏差極小，其分擔(dān)的電壓會(huì)較為均衡，所以適合大功率應(yīng)用，正好適合本實(shí)驗(yàn)。
2.2 預(yù)燃電路
放電電路的電光轉(zhuǎn)換效率對(duì)激光輸出的高低非常重要。為了提高電光轉(zhuǎn)換效率，減少電磁輻射的干擾，提高燈的幫助，在放電電路中采用了預(yù)燃型放電電路。這種電路與一般放電電路不同之處在于，有一附加的直流高壓電源，這種高壓電源可采用任何一種整流方式，關(guān)鍵是能夠給出一定的電壓和電流。當(dāng)然，采用LC恒流變換器是理想的預(yù)燃電路，由于電路中有高壓直流電源，燈始終處于穩(wěn)定的輝光狀態(tài)，而流過(guò)燈的預(yù)燃電流將由預(yù)燃電路中的限流元件來(lái)限定。為了保證儲(chǔ)能器的能量以一定頻率向燈供給，在燈與儲(chǔ)能器之間接有放電開(kāi)關(guān)。
三.保護(hù)電路極其設(shè)計(jì)方法
3.1 電源保護(hù)電路的考慮：欠壓、過(guò)壓保護(hù)
欠壓、過(guò)壓保護(hù)在激光電源中很重要。如果欠壓，為了輸出額定功率，則必須具有過(guò)大的輸入電流。如果過(guò)壓，則電源有過(guò)高的輸入電壓峰值，增大了對(duì)于逆變橋中IGBT功率開(kāi)關(guān)的反向耐壓，易造成過(guò)壓擊穿。故為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定必須具有欠壓、過(guò)壓保護(hù)電路，電路如圖3所示。利用電阻R,R1,R2取樣，在LM339,2D1-4門(mén)通過(guò)調(diào)節(jié)電位器Rw，將電網(wǎng)輸入電壓限制在AC380土10%的允許變化內(nèi)。
3.2過(guò)流保護(hù)
設(shè)置過(guò)流保護(hù)電路主要解決兩個(gè)問(wèn)題：其儀：保護(hù)電源在各種強(qiáng)干擾環(huán)境工作時(shí)，充電電路中不因逆變失敗使功率開(kāi)光（IGBT）超過(guò)額定電流值而損壞。其二，保證脈沖電源按脈沖方式進(jìn)行從放電，一旦出現(xiàn)氙燈連弧故障時(shí)主回路過(guò)流加以切斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
3.3其他保護(hù)
為了保證激光器安全工作和操作人的人身安全，在激光電源的設(shè)計(jì)中，無(wú)源水壓控制，濕度控制和激光腔蓋控制，利用與門(mén)關(guān)系，不論哪方面出現(xiàn)故障保護(hù)，電路接收到故障信號(hào)均及時(shí)的關(guān)斷逆變信號(hào)控制，進(jìn)行報(bào)警。
