全橋型IGBT脈沖激光電源原理與性能分析

　　　1引言

　　近年來，高功率Nd：YAG固體激光器已廣泛用于工業加工領域和醫療儀器領域，如材料加工、激光測距、激光打標、激光醫療、激光核聚變等。與氣體激光器或其他激光器（如化學激光器，自由電子激光器等）相比，固體激光器具有結構緊湊、牢固耐用等優點，其運行方式多樣，可在脈沖、連續、調Q及鎖模下運行。

　　2原理框圖

　　本文介紹的激光電源為工作于重復脈沖方式的固體激光器提供電能。該激光器采用氙燈作泵浦光源，在惰性氣體燈中，氙氣的總轉換效率最高。激光器用于激光打標，工作頻率每秒60次。電源系統采用IGBT管全橋逆變方式，工作頻率為20kHz，控制電路采用PWM方式。

圖1原理框圖

　　圖1示出電源原理框圖，整個電路可分為主電路（電力變換電路）和控制電路兩大部分。來自電網的380V交流電壓經整流濾波后得到約520V左右的直流電壓，加到橋式逆變器上。逆變器主功率開關采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM電路產生一對相位互差180°的脈沖電壓控制逆變橋的四個功率管，將直流電壓變換為高頻方波電壓，再經高頻高壓整流橋得到高壓直流（約1400V），向儲能電容Co充電。電容Co上電壓充到預定值（1000V）后，控制電路發出信號，將放電晶閘管觸發導通，Co上電壓快速向負載氙燈釋放，激光器正常工作。

　　預燃觸發電路針對負載氙燈特性而設，該型激光器要求先通入近兩萬伏的高壓脈沖，將其內部擊穿，再維持較低的連續電流（約100～200mA），激光器才能在電容Co的斷續放電狀態下正常工作。因此，電源的工作步驟應是：開機——預燃觸發——電容放電。

　　3工作原理及仿真波形

　　圖2示出電源主電路，V1—V4組成橋式逆變器，兩端并聯RCD吸收支路，L為限流電感，Co為儲能電容，Lo用于限制Co對負載氙燈的放電電流，保護氙燈。

圖2主電路圖

　　與文獻1中介紹的激光電源不同，此處將限流電感L放在變壓器原邊。這除了能實現功率管的零電壓開通外，例如在V1，V4關斷后，由于L的續流作用，D2，D3導通，則V2，V3可實現零電壓開通;還可分擔變壓器原邊繞組上的壓降，減少變壓器匝數，進而減小變壓器磁心。

　　圖3為利用PSPICE軟件對圖2仿真的結果。圖中上部為變壓器原邊繞組電流i1，下部為輸出電壓Uo。

圖3仿真波形

　　仿真參數：開關頻率f=20kHz，

　　死區時間t=2μs，

　　L=100μH，變壓器變比N1：N2=24：60

　　C0=100μF。