激光电源实现直流高压输出的策略

在绪论中理解了激光管产生激光的基本原理，为了使激光管内气体发生电离，外界必须提供高压泵补，为了实现高压输出，通常有如下策略。
(1)增大工频变压器变比输出高压；
(2)串联叠加输出高压；
(3)马克思发生器倍压输出高压；
(4)信克尔倍压输出高压；
(5)科克罗夫特-沃尔顿倍压输出高压。
 
增大工频变压器变比输出直流高压
 
如图2-2所示为一工频变压器单元电路，该工频变压器对市电输入进行升压，然后进行整流滤波处理得到直流高压[22]。 从而可通过简单的更变工频变压器的原副边线圈匝比来提高输入交流电压幅值，继而提高输出电压。这种方法较为落后，激光管高压泵补源不采用这种落后的方式。
 
串联叠加输出直流高压
 
串联叠加倍压法的思想类似于串联干电池升压的原理来形成电压叠加效应实现高压输出，将要输出的高压分为多个部分输出，系统的总输出为各输出端电压正向叠加。串联叠加输出直流高压的方式如图2-3所示。 这种叠加输出的思想具有一定的优点。
第一，通过多级输出将原本单级输出的高频变压器寄生参数(寄生电容、寄生电感)分散开来，降低了单个变压器的漏感和磁饱和的可能性，增强了可靠性。
 
第二，由于单个输出端电压降低，整流电路元器件对耐压性的要求也随之降低，增加了元器件可选择的范围。
 
但是这种分散电压叠加输出的弊端也很突出。
一方面，分散电压意味着要增加变压器的个数，从而对于整机来说不光意味着体积和重量的增加，而且导致了成本的增加。
另一方面，增加高频变压器个数意味着增加了由于线圈邻近效应导致的损耗，同时增加了散磁通，散磁通的增加一方面直接导致了高频变压器对其周围电路引入了更多的电磁干扰；另一方面散磁通引起铜箔线圈导体涡流，减少导体的有效截面积，增加导体损耗，或直接引起导体局部过热引起电路的损坏。
串联叠加输出相比单个变压器直接输出而言在可靠性上有一定的提升，但仍存在使用工频变压器导致的体积大、成本高、效率低的问题。因此不采取这种串联叠加输出的方式设计激光电源。
 
冲击电压发生器输出直流高压
 
冲击电压发生器是产生雷电冲击电压和操作冲击电压的一种发生装置[22]，人们将这种冲击发生器称为马克思回路。典型的四倍压马克思回路结构如图2-4所示。 图中T为高频变压器，D为输出整流用的高压硅堆，r为保护电阻，R为充电电阻，C为各级的主电容，Cs为各级对地的杂散电容，g1为点火球隙；g2~g4为中间球隙，g0为隔离球隙rf为各级的波前电阻，rt为各级的放电电阻，C2为负荷电容。
 
马克思回路实现高压的核心思想是：电容器并联充电而后串联放电。其实现高压输出的基本过程可概述成如下：
(1)各级主电容通过整流源并联充电到额定电压U；各球隙事先调节到耐压值为U；当作用与球隙电压稍高于U则会导致球隙击穿。
 
(2)将脉冲电压触发给初级球隙，让其放电，通过紫外线照射触发紧邻其后的一级球隙放电。
(3)各级球隙由于初级被触发逐一被触发放电。
(4)球隙放电过程中各级电容和各级波前电阻形成串联关系，从而实现了各级电容串联输出。
 
值得注意的是：一方面，电阻R在充电时起电路的连接作用，但放电时起隔离作用；另一方面各级电容由并联变成串联是靠一组球隙分别处于绝缘和放电状态来达到。另外，只有各球隙形成同步放电状态才可触发波前电阻和各级电容形成串联关系。马克思回路通过并联充电和串联放电这一简单的思想虽然在理论上可以实现高压输出，但是在控制球隙触发的过程是十分困难的，球隙放电前后的时间十分短暂，实现诸球隙的同步放电形成波前电阻和各级电容的串联关系是十分不易控制的。另外即使各级电容形成了串联关系，由于波前电阻串联在其中，造成了分分压，实际需求的输出电压与理论仍存在一定的差距。激光电源不适合用这种方式生成高压。
 
信克尔(Scheakel)倍压输出直流高压
 
如图2-5所示为基本的信克尔四倍压整流电路。 信克尔倍压整流结构是目前常用的倍压电路采用的结构之一[23]，图中T为高频变压器，D0~D3为高压整流硅堆，C0~C3为大容量蓄电荷滤波电容。对该电路结构四倍压输出的过程做以下说明 (为了便于说明设定变压器副边峰值电压为V，由于输出级无滤波电感，故滤波电容两端的电压即为峰值电压V，忽略所有二极管的导通压降)。
 
(1)当高频变压器输出端为上正下负时，由于D0的导通，C0此时处于充电状态，当副边达到峰值后C0两端电压达到V。
 
(2)当高频变压器输出端为上负下正，D1处于导通状态，副边线圈的输出与C0端直接形成串联关系，此时C1处于充电状态，当副边绕组再次达到峰值其两端的电压为2V。
 
(3)接下来，当高频变压器的输出端再次变为上正下负时，C1，D2，C2构成串联回路，C2处于充电状态。当副边绕组再次达到峰值电压时C2两端的电压为3V。
 
(4)当高频变压器的输出端再次从上正下负变为下负上正，C2，D3构成闭合回路，C3处于充电状态，达到峰值电压4V，对负载供电输出。
 
由以上过程分析可知：
(1)当高频变压器的副边绕组极性正负极性交替变化时，所有倍压电容形成并联关系，当向负载供电时，能够保证电流持续稳定的供给，电路的等效电容由于电容的并联关系而显著的提高；
 
(2)由于电容并联提高了等效电容，在能保证总的电流供给的情况下可对单个电容的容量适当降低；
 
(3)在适当降低单个电容容量后能在一定程度上提高电路的响应能力(电容容量减小，充电速度提高)；
 
(4)由信克尔四倍压输出电压Vo = 4 V可知：总的输出电压受限制于单个电容器最大耐压值，对于高达30KV的输出，无法选取耐压值合适的电容器。
 
综合上述分析虽然信克尔倍压整流电路存在着许多优点，但由于电容器的选择受到了限制，也不符合激光管泵补的要求。
 
科克罗夫特-沃尔顿倍压输出直流高压
 
倍压整流电路另外一种常见类型—科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路，其基本的四倍压整流电路结构如图2-6所示。 T为高频变压器，C0~C3为整流滤波电容，D0~D3为高压整流硅堆。对其工作原理做如下说明。(同样假设整流硅管的导通压降为0，变压器输出的峰值电压为V)。
(1)当高频变压器输出为上负下正时，D0整流管导通，变压器副边绕组、C0、D0形成回路，C0处于充电状态，充电达到峰值电压V。
 
(2)当高频变压器输出为上正下负时，C0、C1、D1构成闭合回路，C1处于充电状态，充电达到峰值电压达到2V。
 
(3)当高频变压器输出再次变为上负下正时，变压器副边绕组，C0、D0构成回路一，另外变压器副边绕组，C0、C1、C2、D2构成回路二，此时C2达到峰值2V。
 
(4)按照上述同样的过程，当变压器第二次变为上正下负的状态时，变压器副边、C0、、C1、D1构成回路一，另外变压器副边、C0、C1、C2、C3、D3构成回路二，此时，C3两端电压为2V。此时总的输出电压为4V。
 
在输出同样的电压前提下信克尔倍压整流电路中单个电容能承受最大的耐压值为变压器输出端峰值电压V，而科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路中单个电容能承受最大耐压值为2V，这一点使得在电路优化和元器件的选型上科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路占据了巨大的优势。然而，当输出电压要求过高时，必须通过增大倍压级数来实现倍压，与此同时会导致电容两端落差电压增大，从而导致输出电压纹波增大[24]。基于基本的科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路的缺点，提出了平衡式科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路。其电路结构如图2-7所示。 平衡式科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路对于降低纹波和降低电压跌落具有明显的效果[25]。然而，一方面，输出级数的增加而随之增加的输出级整流电容不利于改善输出电压纹波效果，另一方面，由于采用了中间抽头的变压器，在科克罗夫特-沃尔顿倍压电路中对变压器两端的对称绕线的方式提出了更高的要求，即使存在微小的不对称现象也为造成输出端产生较大的纹波。
针对对称式科克罗夫特-沃尔顿倍压整流方式的缺陷，为此引入了正负双向科克罗夫特-沃尔顿倍压整流方法，如图2-8所示。 正负双向科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路是在基本的科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路的基础上提出的。其基本的思想是将高频变压器的输出通过两个对称的科克罗夫特-沃尔顿整流电路串联，将一个输出接地，通过另一个输出端输出高压[26]。这种双向驱动方式一方面弥补了单个科克罗夫特-沃尔顿倍压电路中内部压降较大的问题，增大了输出高压的能力，同时也增强了负载能力；另一方面由于其对称结构，大幅度降低了输出端的纹波效应。
 
激光电源实现直流高压输出的策略
 
以上通过对五种实现高压电路的原理进行分析，结合激光电源的各项要求最终选择正负双向科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路作为本次高压输出电路结构。
根据激光管起辉的要求，起辉电压需要25~30KV，本次电源起辉电压设计为30KV，用六倍正负双向科克罗夫特-沃尔顿倍压整流电路实现。