近年來

，高功率Nd：YAG固體激光器已廣泛用於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，可在脈衝、連續、調Q及鎖模下運行。

　　

　　

本ben文wen介jie紹shao的de激ji光guang電dian源yuan為wei工gong作zuo於yu重zhong複fu脈mai衝chong方fang式shi的de固gu體ti激ji光guang器qi提ti供gong電dian能neng。該gai激ji光guang器qi采cai用yong氙xian燈deng作zuo泵beng浦pu光guang源yuan
，在zai惰duo性xing氣qi體ti燈deng中zhong，氙xian氣qi的de總zong轉zhuan換huan效xiao率lv最zui高gao。激ji光guang器qi用yong於yu激ji光guang打da標biao，工gong作zuo頻pin率lv每mei秒miao60次。電源係統采用IGBT管全橋逆變方式，工作頻率為20kHz，控製電路采用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）和控製電路兩大部分。來自電網的380V交流電壓經整流濾波後得到約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°的脈衝電壓控製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）後，控製電路發出信號，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衝
，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。

　　

　　

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

 

　　

圖2：主電路圖

 

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關斷後，由於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。

　　

　　

電源係統中，電感L與高頻變壓器T的設計是關鍵。從圖2看出

，逆變電路的負載隻有電感L及變壓器T的原邊，當功率管導通
，直流電壓Ui加於圖4所示位置時，電感上電壓為Ui－UT1，則變壓器原邊電流i1=（Ui－UT1）t/L

 

　　

圖4：計算電路

　　

式中，UT1為輸出電壓Uo（高壓整流橋導通時就是UT2）折算到變壓器原邊的值，UT1=U0/n，n為變壓器副、原邊匝比，又△Uo=（1/C0），

　　

i2=i1/n

　　

考慮到輸出電壓在逐步上升
，而電流i1的幅值在不斷下降，計算過程應該是一個迭代過程。

 

i1（m）=［Ui－U0（m－1）/n］t/L

　　

U0（m）=U0（m－1）＋△U0（m）=U0（m－1）＋（1/C0）（i1（m）/n）dt

　　

=U0（m－1）＋Uit2/2CLn－U0（m－1）t2/2CLn2

　　

其中，t為半個周期，開關頻率f為20kHz時
，t=25μs；C0=100μF
；L為限流電感電感量。

　　

根據負載特性
，最大工作頻率為60Hz，即儲能電容在1秒鍾內放電60次，周期為16.7ms。考慮放電時間，則充電時間最多隻有11ms。所以上式中m最大值取11ms/25μs=440

　　

用MATLAB對上式進行計算
，並繪出不同的L值、不同的n值、不同的直流電壓Ui（Ui有一允許變化範圍）情況下，電容電壓U0的上升曲線。從中選取最佳方案
，最終確定參數如下：

　　

L=100μH

　　

n=N2：N1=60：24

　　

圖5中，橫坐標表示變壓器副邊繞組匝數N2
，縱坐標表示輸出電壓U0，在L=100μH，Ui=520V，f=20kHz，N2=60時，輸出電壓U0為峰值。

 

　　

圖5：MATLAB計算最佳變比

　　

　　

圖6為實測波形，（b）圖示出（a）圖的前幾個周期。圖中上部是變壓器原邊電源i1波形，下部是儲能電容U0的電壓波形，與圖3仿真波形對應。由圖中看出，i1為零後，U0並未立刻下降，而是保持一段時間，這是因為充放電時間固定的緣故
，當U0達到預定值後保持至充電時間終了。

 

　　

圖6：實驗波形