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一种强脉冲泵浦激光电源电路

大尺寸高能脉冲氙灯是目前强激光系统中应用较为广泛的泵浦源之一,它是将电能转换成光能的放电器件,也是激光系统中的关键器件。强脉冲泵浦激光电源是大型高功率激光器的重要组成部分,为氙灯激励提供大功率能量脉冲。
 
在脉冲泵浦电源中,开关器件具有特别重要的意义,它连接储能器件与负载,将压缩后的脉冲传递给负载,并且其性能会直接对输出脉冲的幅值、上升时间等造成影响。强功率脉冲电源对开关的要求是:寿命长、易维修、结构紧凑、性能稳定、通流能力强、耐受电压大、击穿时延短并且分散性小。
 
在脉冲电源中,常使用的传统开关元件包括气体开关、引燃管、真空触发开关等。目前,大功率固体半导体开关由于其寿命长、体积小、可靠性高、控制特性好、配套简单、成本较低等优点,正逐渐成为脉冲功率开关的发展方向,呈现出替代传统开关的趋势。大功率半导体可控硅晶闸管开关是固体半导体开关的典型代表。然而,目前的半导体可控硅晶闸管开关通流能力、耐受电压有限,仅凭单个半导体可控硅晶闸管单体阀片无法实现较大的工作电流与较高的工作电压。因此,强功率脉冲电源使用半导体可控硅晶闸管开关时,需要将多个晶闸管单体阀片串并联使用。
 
强脉冲泵浦激光电源工作在高电压大电流环境下,期望晶闸管开关的耐压能力越高越好,而耐压能力的提高会制约晶闸管开关的di/dt耐量。并且由于工作电流峰值高,脉宽窄,晶闸管开关开通过程的初始电流上升率较高。当晶闸管开关开通过程的初始电流上升率超过开关的di/dt耐量时,晶闸管开关将会由于局部温度过高而损坏。
 泵浦激光电源电路
本发明的目的在于克服上述技术不足,提出一种强脉冲泵浦激光电源电路,解决现有技术中半导体可控硅晶闸管开关开通过程由于电流上升率过大引起的高温损坏的技术问题。
 
为达到上述技术目的,本发明的技术方案提供一种强脉冲泵浦激光电源电路,包括:
主放电电路,其包括主充电单元,与所述主充电单元两端连接的至少一组脉冲储能单元电路,及由所述脉冲储能单元电路的高压端引出的主放电饱和电感电路,所述脉冲储能单元电路包括依次串联的阻尼元件和主储能电容器,所述主放电饱和电感电路包括相互串联的主饱和电感器和主晶闸管开关;
 
预放电电路,其包括预充电单元,与所述预充电单元两端连接的预放电电容器,及由所述预放电电容器高压端引出的预放电饱和电感电路,所述预放电饱和电感电路包括依次串联的预放电电感器、预饱和电感器和预晶闸管开关;及汇流母排,其用于将所述主放电饱和电感电路和所述预放电饱和电感电路与负载连接。
 
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:
1、在储能电容器组与晶闸管开关串联接入了饱和电感器,限制主晶闸管开关过程的初始电流上升率不超过主晶闸管开关的di/dt耐量,从而防止主晶闸管开关的高温损坏;
 
2、使用大功率半导体可控硅晶闸管开关作为主晶闸管开关、预晶闸管开关,具有寿命长、体积小、可靠性高、易控制的优点;
 
3、与脉冲储能单元电路组并联泄能电路,当主储能电容器已充电完毕但主晶闸管开关未正常导通时,可通过泄能电路释放电容器储存的能量,具有安全,可靠性高的优点。
 
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种强脉冲泵浦激光电源电路,包括主放电电路,预放电电路及汇流母排,如图1所示。
 
主放电电路包括主充电单元,与所述主充电单元两端连接的至少一组脉冲储能单元电路(本实施例以16组为例说明),及由所述脉冲储能单元电路的高压端引出的主放电饱和电感电路,所述脉冲储能单元电路包括依次串联的阻尼元件和主储能电容器C1(如C1-1至C1-16),所述主放电饱和电感电路包括相互串联的主饱和电感器L和主晶闸管开关K。
 
预放电电路包括预充电单元,与所述预充电单元两端连接的预放电电容器Cx,及由所述预放电电容器Cx高压端引出的预放电饱和电感电路,所述预放电饱和电感电路包括依次串联的预放电电感器Lx、预饱和电感器Ly和预晶闸管开关Kx。
 
主充电单元和预充电单元是相互独立的,主充电单元和预充电单元均可采用220V或380V三相交流电输入,主充电单元输出电压在0至储能电容器组额定电压内可调,预充电单元输出电压在0至预电离电容器额定电压内可调,通过高频升压变压器实现输入电压至输出电压的升压。
 
主放电电路采用高频串联谐振充电电路结构,具有体积小、重量轻、充电重复精度高、固有抗短路能力强和可靠性高的优点。主充电单元的输出电压决定了脉冲电源的初始工作电压。主充电单元向电容器组充电,充电完成后,主充电单元不会对放电电路的技术指标、电流波形产生任何影响,它对主放电电路的影响仅体现在电容器的初始工作电压上。其工作原理为:主充电单元向相互并联的脉冲储能单元电路组供电,对每个主储能电容器C1(如C1-1至C1-16)充电,待充电完成后,闭合主晶闸管开关K,脉冲储能单元电路组中的主储能电容器C1(如C1-1至C1-16)同时放电,脉冲电流经汇流母排向负载供电。在主晶闸管开关K开通过程中,通过主晶闸管开关K的电流未达到饱和电流值,主饱和电感器L呈现较大的非饱和电感,限制了通过主晶闸管开关K开通过程的初始电流上升率。当主晶闸管开关K开通完成后,电流上升到饱和电流值,饱和电感器迅速饱和,电感量降至接近0,相当于饱和电感器被短路,此时放电电流迅速上升,输出正常脉冲波形。由于主晶闸管开关K导通时间很短,因此不影响正常脉冲波形指标。
 
预放电电路的工作原理与主放电电路的工作原理相同,区别在于预放电电路的规模较小,因此无需采用大规模储能电容器组储能,只需要预放电电容器Cx作为储能装置即可,Lx为预放电电感器,其作用是调节预放电脉冲波形,预饱和电感器Ly与预晶闸管开关Kx串联。预放电电路在主放电电路之前进行放电,对负载进行预充电(如使氙灯预燃),这样能够保证主放电电路放电更加充分和均匀,并且能够保护负载,延长负载寿命。
 
作为优选的,所述阻尼元件为电感电阻一体式元件,其采用高电阻率的金属合金线绕制而成,如不锈钢、锰铜、康铜等。R1-1至R1-16是阻尼元件的等效电阻,L1-1至L1-16是阻尼元件的等效电感。阻尼元件的作用是:在主储能电容器C1(如C1-1至C1-16)发生电容器内部击穿等故障,限制故障支路上故障电流峰值与上升率,吸收其余并联电容器的放电能量,防止故障电容器的爆裂起火。
 
作为优选的,所述主晶闸管开关K和预晶闸管开关Kx均为多个半导体可控硅晶闸管单体阀片串联而成,并具有3倍左右的耐压裕度,以提高晶闸管开关耐压能力。目前已知6英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片,耐压6.5kV,通流峰值能力330kA,5英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片,耐压6.5kV,通流峰值能力280kA,4英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片,耐压6.0kV,通流峰值能力200kA。随着半导体晶元的直径减小,单体阀片价格也会指数下降,工艺可靠性则会指数上升。晶闸管开关选用的半导体可控硅晶闸管单体阀片尺寸,应根据正常放电电流峰值确定。举例来说,当储能电容器组额定工作电压为26kV时,正常放电电流峰值为220kA时,为保证3倍的耐压裕度且正常放电电流峰值不超过晶闸管开关的通流峰值,主晶闸管开关K可选择12片5英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片串联组成。
 
所述主晶闸管开关K的数量可以为一个,作为优选的,所述主晶闸管开关K的数量为两个及以上,且相互并联。当主放电电路放电电流较大,超出6英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片的通流峰值时,可配合相应的均流电路,采用两个或多个晶闸管开关并联使用。
 
作为优选的,所述主放电电路还包括与所述脉冲储能单元电路并联且接地的泄能电路,该泄能电路包括相互串联的泄能电阻R和泄能开关Kr。当主储能电容器C1(如C1-1至C1-16)已充电完毕但主晶闸管开关K未正常导通时,可通过泄能电路释放电容器储存的能量。
 
作为优选的,所述汇流母排通过设有调波电感的电缆与负载连接。所述负载具有多个,所述电缆对应设有多条,所述负载包括若干脉冲氙灯。本实施例以12条电缆为例说明,及与所述电缆一一对应连接的若干脉冲氙灯。12路电缆TL-1至TL-12,调波电感L2-1至L2-12,脉冲氙灯LT1-1、LT1-2至LT12-1、LT12-2。
 
作为优选的,所述若干条电缆中的调波电感L2-1至L2-12呈环形等间距布置。这是因为,根据电磁耦合原理,调波电感之间存在耦合作用,环形等间距布置的调波电感能够平衡调波电感之间相互的耦合作用,使流过调波电感支路的电流更加均衡。
 
作为优选的,上述一种强脉冲泵浦激光电源电路,还可以配合控制监测记录单元实现对整个系统的运行控制、状态监测和数据记录。控制监测记录单元的功能包括:各晶闸管开关的导通控制、主充电单元的充电控制、预充电单元的充电控制、泄能电路中泄能开关的开闭控制;实现对系统各种运行状态的实时监视,并在异常状态时采取必要的控制措施保证系统运行安全;实现对系统运行参数的实时同步记录功能,如放电电流波形的实时同步记录、储能电容器组工作电压的实时同步记录。主、预充电单元受控制监测记录单元控制,利用光纤进行控制信号的传输。控制监测记录单元根据命令实现充电单元加电、设置充电单元的充电电压、启动充电、充电完成后切断充电单元电源等操作。
 
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
 
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