激光器開關(guān)電源設(shè)計過程中的器件選用實踐
1引言受用戶之托，需要設(shè)計開發(fā)種可靠性高，體積小，成本低的大功率工業(yè)激光器脈沖電源，其主要技術(shù)要求如下輸入電源相交流380，士輸出電壓4007以下可調(diào)輸出電流最大300輸出頻率100此以下可調(diào)輸出脈寬0.120舊根據(jù)這要求，我們選用了小容量開關(guān)電源充電，大容量電容儲能，實現(xiàn)大功率脈沖放電的設(shè)計方案。根據(jù)這方案，充電用開關(guān)電源的設(shè)計便成為整個電源設(shè)計的核心內(nèi)容。設(shè)計過程中進行了大量的調(diào)研試驗工作，其中的心得頗多，現(xiàn)就充電用開關(guān)電源設(shè)計過程中有關(guān)器件選用方面的經(jīng)驗略抒己。
2主回路以往的工業(yè)或醫(yī)療用激光設(shè)備中，其功率器件多為晶閘管。因晶閘管的開關(guān)頻率較低，致使這種電源的動態(tài)響應(yīng)時間較長，調(diào)節(jié)性能較差；而且晶閘管的導通，況主要依賴于觸發(fā)相位角的變化，故不易實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，電網(wǎng)的波動也容易影響其穩(wěn)定性；再者，晶閘管開關(guān)頻率低造成電路中的變壓器電感電容等元件體積重置很大，從而使得整個系統(tǒng)的體積重里很大另外，外圍的分立器件較多也對系統(tǒng)的可靠性不利。
隨著頻功率器件的迅速發(fā)展，性能穩(wěn)定，速高集成度的大功率81絕緣雙極晶體管在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。它同時具有從71的電壓控制高速開關(guān)及18的低導通壓降的優(yōu)點，是迄今為止在中等功率場合最為優(yōu)秀的電力電子開關(guān)器件。根據(jù)調(diào)研以及此前工作的體會，為滿足用戶對電源可靠性和體積重量等方面的要求，我們決定采用作為該電源主回路功率器件。
由于本電源采用380，相交流供電，若考慮電網(wǎng)±的電壓波動，則經(jīng)整流瀧波后的電壓變動范圍約為470，570，另外，逆變電路采用全橋式，為防止橋臂直通則必須有足夠的工作死區(qū)時間若最大工作占空比為0.9，則頻變壓器變比為1.根據(jù)脈沖放電的功率要求，系統(tǒng)滿功率輸出400，運行時，逆變電路中81的通態(tài)平均電流為20六，峰值電流逆變器工作頻率20吐2，輸出電抗器為1礎(chǔ)的情況下，電抗器交流分量峰，峰值為3.75為21.875.
因此，為保留足夠的安全裕量，應(yīng)選用12007504的8了。實際應(yīng)用的器件就是具有這種額定值的日本菱公司，100 2仙串聯(lián)雙單元168丁模塊。
3驅(qū)動電路驅(qū)動電路的性能對1681能否發(fā)揮最佳效用影響較大，我們在實踐過程中對此體會較深。
已丁是種電壓控制型器件極輸入電阻可達幾十兆歐。以我們選用的，500 2仙為例，當0極驅(qū)動電壓為2時，靜態(tài)驅(qū)動電流最大值小于0.5，因此，面看來它的驅(qū)動是很容易實現(xiàn)的。但實際上丁的個引出極間均存在寄生電容，因此驅(qū)動電路的負載實際上是個容性網(wǎng)絡(luò)，要實現(xiàn)高速開關(guān)，驅(qū)動電路必須能夠很快提供足夠的開通觸發(fā)電荷量和關(guān)斷吸收電荷量，即提供足夠高的開關(guān)瞬時電流以工作電壓為600時，所需的開關(guān)電荷量最大可達400，若想使它在500沾內(nèi)開通，1必內(nèi)關(guān)斷，則在開通時間內(nèi)驅(qū)動電路提供吸收電流不應(yīng)低于0.4；再考慮到開啟電壓門限最高可達7.5，最低可達4.57，則對驅(qū)動電路的驅(qū)動能力要求是相當高的。同時，過快的開關(guān)速度還有可能造成工作情況超過108了的安全工作區(qū)，尤其是在發(fā)生短路過流的情況下，速關(guān)斷很容易造成，1的損壞，因此也不能味提高驅(qū)動電路的驅(qū)動能力?？傊?，驅(qū)動電路的設(shè)計相當復雜，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有商品化的集成驅(qū)動器，但我們在選用的過程中仍然遇到了些麻煩。
經(jīng)過仔細分析，最后確認故障原因在于□出841驅(qū)動電路4.5，的關(guān)斷驅(qū)動電壓在有些情況下不能保證8了的可靠關(guān)斷。
理論上講，1081是零電壓關(guān)斷，但在實際的硬開關(guān)全橋逆變電路中，在很多情況下零電壓關(guān)斷很不可靠。特別是由于108丁斷或另橋臂開通時，由于極間電壓急劇升高，會通過該電容給，極間電容充電，形成，極間正的電壓尖峰。以，肘5002州為例，當1間電壓為10時，其轉(zhuǎn)移電容最大值可達3，此時僅需很低的0極間電壓上升率，便需要驅(qū)動電路向轉(zhuǎn)移電容提供很大的吸收電流才能保證1081的可靠關(guān)斷。增大驅(qū)動電路吸收電流能力的方法有兩種，是減小驅(qū)動電阻尺8，但這樣又會加快108了關(guān)斷速度，提CE極間電壓上升率，增大轉(zhuǎn)移電容的充電電流。另種方法就是降低關(guān)斷驅(qū)動電壓。841雖然提供4.5的關(guān)斷驅(qū)動電壓，但我們在實際使用過程中仍然出現(xiàn)了誤導通問，因此我們將驅(qū)動電路換成了日本菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動電路57959這種驅(qū)動器的關(guān)斷驅(qū)動電壓為lOV，在其他性能基本相同的情況下，顯然對還8了的實際應(yīng)用而言，1的關(guān)斷驅(qū)動電壓比4.57要可靠得多。試驗證明它的確解決了108了誤導通問銓。
4控制電路控制電路主要實現(xiàn)的功能為人機對話以及內(nèi)部實時控制信號的產(chǎn)生和，送。激光器用開關(guān)電源與普通開關(guān)電源的主要區(qū)別在于前者的負載為非線性負載，因此在控制電路的設(shè)計中前者比后者要復雜些。在控制過程中需要進行大量的計算，采用模擬器件很難實現(xiàn)，因此我們決定選用單片機進行數(shù)字實時控制。
公司的，106072，10系列單片機采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，速度快，使用靈活，非常適合作為嵌入式微控制器使用。目前在國內(nèi)己經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，有足夠的技術(shù)支持。其中打16072本身帶有28字節(jié)的程序存儲器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器，5路8位，轉(zhuǎn)換通道，1路口機1輸出通道，1路52標準串行總線通道，上述通道均可作為通用10口使用，除此以外還有13個通用10口，功能齊全，可以完成本電源設(shè)計所需要在整個控制系統(tǒng)中我們總共使用了片，101672.其中片作為系統(tǒng)主機，實現(xiàn)人機對話功能片作為電壓環(huán)控制器完成輸入輸出電壓的0轉(zhuǎn)換，初始輸出脈寬的計算以及與主控芯片的通信片作為電流環(huán)控制器完成輸出電流的人0轉(zhuǎn)換，最終脈寬的計算及單路，機輸出。模擬信號由霍爾傳感器進行檢測并隔離，經(jīng)由硬件電路濾波后再由單片機內(nèi)置的0轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。分頻工作由硬件電路完成并形成兩路相差180的控制信號，分別用于控制全橋變換器的兩個橋臂。為加強控制電路耦進行離。
在主回路電流電壓檢測方面，由于檢測信號不共地，且不希望控制電路與主回路之間有直接的電聯(lián)系，同時為了保證可靠性及檢測稍度，我們選用了磁平衡式炻爾電流電壓傳感器模塊。這種模塊在主回路與控制電路之間可以實現(xiàn)良好的電氣離，同時擁有優(yōu)異的動態(tài)性能及測量精度，是現(xiàn)今電力電子方面優(yōu)良的電流電壓傳感器。使用結(jié)果明，這種傳感器性能穩(wěn)定，可靠性高。
5保護電路保護電路在開關(guān)電源中不可缺少，良好護電路主要包括過電壓保護和過電流保護兩種108丁在關(guān)斷過程中，雜散電感儲存的能量要泄放，就會在108了的1極之間產(chǎn)生較高的電壓尖峰。為吸收或抑制這種尖峰。常用的辦法是在每個開關(guān)上附加套緩沖電路。但在我們的設(shè)計實踐中發(fā)現(xiàn)，這種8，緩沖電路存在許多問是增加了系統(tǒng)的復雜性，在我們的試驗過程中。這種緩沖回路多次發(fā)生故障，并沒有到增加可靠性的作用是該方式并不能夠減少電路總的損耗，在8了中減少的損耗實際上轉(zhuǎn)移到了緩沖回路中。通過分析，我們認為，5002，的額定工作電壓為12007，遠遠大于實際最大工作電壓600，實際最大損耗約為150也遠遠小于允許間本身即存在寄生電容，并附加有反并聯(lián)快恢復極管反向恢復時間小于25，1！5，當關(guān)斷橋臂上扣81的，極間電壓高于輸入電壓時，可以通過另橋臂上的反并聯(lián)極管將極間電壓鉗位在輸入電壓上，因此，我們決定取消尺，緩沖電路，僅在系統(tǒng)，9=則廠利用以上公式，就可以從磁路的思想出發(fā)來求解該問。具體思路如下把時間1分離成，個小片段，在該時間段內(nèi)，設(shè)渦流盤運動速度呈線性變化，則可得出在1內(nèi)運動的路程。在每個運動時間間隔點上，即對應(yīng)渦流盤與線圈之間的距離，從而對應(yīng)氣隙磁導，由磁路方程可解出穿過活盤的磁通，由Maxwel公式或4可求出磁場力，對應(yīng)列出動態(tài)微分方程并求解即可得整個動態(tài)特性參數(shù)。
4分析計算結(jié)果根據(jù)型直流斷路器脫扣器電動斥力機構(gòu)的設(shè)計，計算結(jié)果2.
1張冠生編著。電器學。機械工業(yè)出版社，976費鴻俊，張冠生編著。電器機構(gòu)動態(tài)分析計算。
機械工業(yè)版社，993 3周克定編著。工程電磁場專論。華中工學院出版41盛劍霍等編著。電磁場數(shù)質(zhì)分析?？茖W出版社，上接第13頁108丁逆變橋直流輸入端并聯(lián)無感吸收電容。
理論計算和試驗結(jié)果均明，在滿負載關(guān)斷時變壓器漏感約為1詘，吸收電容0.15108丁上產(chǎn)生的電壓尖峰在死區(qū)期間低于600，且附加產(chǎn)生的振蕩很輕微頻率僅為幾百千赫，峰值電壓低于20V，峰值電流低于10，且衰減很快，未對電路工作產(chǎn)生影響，故實際上在我們這種情況下可以不再附加0緩沖電路。
對于短路過電流保護，根據(jù)81的特點，保護關(guān)斷時間過長或過短都不好。驅(qū)動器M57959L雖然本身帶有過流檢測及緩關(guān)斷保護功能，但其過電流檢測響應(yīng)時間為10舊，對較短的脈沖過流不能實現(xiàn)保護。因此我們沒有采用M57959L過電流檢測功能。
該功能由附加的電路實現(xiàn)由霍爾傳感器檢測電流信號并通過濾波去除干擾信號，再經(jīng)比較器進行信號比較，若出現(xiàn)過電流。貝，維持過電流2舊可調(diào)后鎖定，并通過高速光耦將M57959L的過電流檢測端置高電平，通過55795孔的過電流緩關(guān)斷功能實現(xiàn)短脈沖過電流保護。
6結(jié)束語在開關(guān)電源的設(shè)計中，重要器件的合理選用是非常關(guān)鍵的，只有進行大量的調(diào)，研究，掌握各種器件的參數(shù)特性，并經(jīng)過全面綜合的權(quán)衡之后，才能合理選用器件。本文僅僅闡述了作者在激光器開關(guān)電源實際開發(fā)過程中的些實踐經(jīng)驗，由于篇幅所限，對電源放電回路器件選用不再贅述。
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