激光电源脉冲功率切换电路仿真分析
激光电源是激光系统的重要组成部分，每一种类型的激光器要配备专门的激光电源，以最小的能量损耗来泵浦激光工作物质，获得所需的激光辐射参数。高能激光电源系统由多个脉冲电容器并联作为储能单元，具有储能简单、造价低、波形灵活可调等突出优点。激光电源的性能直接影响激光器的输出稳定性和寿命，脉冲功率切换电路的高效率、高可靠性、长寿命等特性是实现激光电源与氙灯负载间可靠切换的必要条件。
脉冲晶闸管、二极管是脉冲功率切换电路中常用的开关。电压上升率和通态电流是衡量晶闸管性能的两个重要指标。脉冲功率切换电路对晶闸管、二极管的要求较高，在实际使用中切换电路参数配置不当是导致晶闸管、二极管损坏的重要原因［３－４］。为此，可以选择具有一定性能优势的脉冲晶闸管，例如具有大的阀片初始导通面积和长寿命的晶闸管。对于特定型号的晶闸管、二极管，根据应用需求特征进行电路优化设计，研究影响晶闸管、二极管工况的主要因素，并采取参数优化配置以保护晶闸管［５］，ＲＣ阻容吸收网络是常用的保护方法。本文基于ＰＳＣＡＤ软件建立激光电源脉冲功率切换电路仿真模型，重点仿真分析电路参数对晶闸管和二极管的影响。
脉冲功率切换电路
高能激光电源系统如图１所示，主要由充电模块、储能模块、切换模块、点火模块和负载五部分组成。图中Ｃ１１～Ｃ１４为储能电容，额定电容量为２４０μＦ，额定电压５ｋＶ。Ｌ１～Ｌ４为脉冲电感，其值为９５μＨ。Ｃ４，Ｃ５为隔离电容，Ｃ４＝４．７μＦ，Ｃ５＝０．０２２μＦ。Ｔ１，Ｔ２为开通支路晶闸管，Ｄ１为二极管，Ｔ３为关断支路晶闸管，ｇ１，ｇ２，ｇ３分别为三个晶闸管的触发信号。晶闸管二极管额定耐压６ｋＶ，工频通流能力５００Ａ，浪涌电流１０ｋＡ／１０ｍｓ。Ｒ３和Ｃ３，Ｒ２和Ｃ２分别阻容吸收回路，Ｒ３＝Ｒ２＝５Ω，Ｃ３＝Ｃ２＝４．７μＦ。关断回路中限流电阻Ｒ０为绕线电阻，其阻值为５Ω，杂散电感为１０μＨ。限流支路Ｃ１＝１００μＦ，Ｒ１＝４０ｋΩ。Ｔａ，Ｔｂ为点火器用脉冲变压器，输出脉冲电压幅值为１６．５ｋＶ。负载为脉冲氙灯。电源在８０ｍｓ内将电容器充电至５ｋＶ，此后储能电容通过Ｔ１，Ｔ２和点火装置对氙灯负载放电，最后开通Ｔ３以关断回路。脉冲电源重复频率为１０Ｈｚ。
关键电路参数分析
阻容电路参数
在图１中，在Ｔ１，Ｔ２触发导通前，Ｃ３已经充电至５ｋＶ，而关断支路Ｔ３的阻容支路电容Ｃ２并未充电，因此阻容电路会对开通支路的晶闸管产生冲击。在晶闸管开通瞬间Ｃ３经过Ｒ３对晶闸管放电。假设晶闸管导通电阻为ＲＴ１，ＲＴ２。仅考虑晶闸管导通电阻影响，开通过程的时间常数
限流电阻
在关断支路中，Ｒ０起限制电流幅值、减弱震荡的作用。如果限流电阻太小，Ｔ３导通过程中可能出现电流过大、反压过大等情况；若限流电阻太大，可能出现晶闸管无反压关断过程。在重复工作的情况下，晶闸管工作在电流过零关断的模式下易发生损坏［３］。
并联晶闸管触发同步性
晶闸管的并联使用，需确保均流问题。影响均流的主要因素为并联晶闸管的开通时间和通态伏安特性不一致。本文中晶闸管为同批次同型号，暂不考虑通态伏安特性不一致的影响。晶闸管的开通过程受其门极触发脉冲影响，强触发脉冲可以减小器件开通时间。因此给并联晶闸管施加同步、前沿极陡、强度足够的触发脉冲。假设Ｔ２触发延迟，图５为延迟为２０μｓ下并联晶闸管的电流仿真波形，表２为不同时延下晶闸管仿真工况。由图５可以看出，延迟触发的Ｔ２在开通时刻电流瞬间上升，提前开通的Ｔ１电流瞬间下降，最终达到两晶闸管电流相等。晶闸管的ｄｉ／ｄｔ达到ｋＡ／μｓ的量级，因此较易发生损坏。从表２可以看出，时延越大，晶闸管电流上升率越大。
结论
本文基于ＰＳＣＡＤ软件进行激光电源脉冲功率切换电路仿真分析，指出器件损坏的原因，并提出参数优化配置方法。影响晶闸管工况的主要因素为阻容电路参数、关断支路限流电阻和并联晶闸管开通延迟。仿真分析得出：合理的阻容电路参数是保护晶闸管的常用方法。阻容回路时间常数对晶闸管的影响很大，分析表明开通回路中晶闸管阻容吸收回路参数配置不当是造成开通晶闸管损坏的原因。阻容回路时间常数应为μｓ量级，电阻为数十Ω。关断支路中的限流电阻Ｒ０显著影响晶闸管、二极管的反向电压、导通电流以及ｄｉ／ｄｔ。增大限流电阻有利于降低二极管上的反向电压，减小关断二极管和晶闸管的ｄｉ／ｄｔ，同时降低晶闸管两端的反向电压，但为保证晶闸管存在反压关断过程，电阻Ｒ０必须在一定范围内。触发同步性是并联晶闸管长期正常工作的必要条件。若并联晶闸管开通时刻不一致，在后开通的晶闸管开通瞬间，晶闸管ｄｉ／ｄｔ达到ｋＡ／μｓ量级。综合仿真分析，认为阻容回路参数配置不当，开通瞬间电流上升率过大是导致晶闸管门极处损坏的主要原因。关断支路限流电阻过小，关断支路导通时二极管上反压过大是导致二极管阀片边沿处损坏的主要原因。通过电流参数优化配置后，实际激光电源脉冲功率切换电路运行结果表明晶闸管和二极管可以长期可靠工作。
脉冲晶闸管、二极管是脉冲功率切换电路中常用的开关。电压上升率和通态电流是衡量晶闸管性能的两个重要指标。脉冲功率切换电路对晶闸管、二极管的要求较高，在实际使用中切换电路参数配置不当是导致晶闸管、二极管损坏的重要原因［３－４］。为此，可以选择具有一定性能优势的脉冲晶闸管，例如具有大的阀片初始导通面积和长寿命的晶闸管。对于特定型号的晶闸管、二极管，根据应用需求特征进行电路优化设计，研究影响晶闸管、二极管工况的主要因素，并采取参数优化配置以保护晶闸管［５］，ＲＣ阻容吸收网络是常用的保护方法。本文基于ＰＳＣＡＤ软件建立激光电源脉冲功率切换电路仿真模型，重点仿真分析电路参数对晶闸管和二极管的影响。
脉冲功率切换电路
高能激光电源系统如图１所示，主要由充电模块、储能模块、切换模块、点火模块和负载五部分组成。图中Ｃ１１～Ｃ１４为储能电容，额定电容量为２４０μＦ，额定电压５ｋＶ。Ｌ１～Ｌ４为脉冲电感，其值为９５μＨ。Ｃ４，Ｃ５为隔离电容，Ｃ４＝４．７μＦ，Ｃ５＝０．０２２μＦ。Ｔ１，Ｔ２为开通支路晶闸管，Ｄ１为二极管，Ｔ３为关断支路晶闸管，ｇ１，ｇ２，ｇ３分别为三个晶闸管的触发信号。晶闸管二极管额定耐压６ｋＶ，工频通流能力５００Ａ，浪涌电流１０ｋＡ／１０ｍｓ。Ｒ３和Ｃ３，Ｒ２和Ｃ２分别阻容吸收回路，Ｒ３＝Ｒ２＝５Ω，Ｃ３＝Ｃ２＝４．７μＦ。关断回路中限流电阻Ｒ０为绕线电阻，其阻值为５Ω，杂散电感为１０μＨ。限流支路Ｃ１＝１００μＦ，Ｒ１＝４０ｋΩ。Ｔａ，Ｔｂ为点火器用脉冲变压器，输出脉冲电压幅值为１６．５ｋＶ。负载为脉冲氙灯。电源在８０ｍｓ内将电容器充电至５ｋＶ，此后储能电容通过Ｔ１，Ｔ２和点火装置对氙灯负载放电，最后开通Ｔ３以关断回路。脉冲电源重复频率为１０Ｈｚ。
阻容电路参数
在图１中，在Ｔ１，Ｔ２触发导通前，Ｃ３已经充电至５ｋＶ，而关断支路Ｔ３的阻容支路电容Ｃ２并未充电，因此阻容电路会对开通支路的晶闸管产生冲击。在晶闸管开通瞬间Ｃ３经过Ｒ３对晶闸管放电。假设晶闸管导通电阻为ＲＴ１，ＲＴ２。仅考虑晶闸管导通电阻影响，开通过程的时间常数
限流电阻
在关断支路中，Ｒ０起限制电流幅值、减弱震荡的作用。如果限流电阻太小，Ｔ３导通过程中可能出现电流过大、反压过大等情况；若限流电阻太大，可能出现晶闸管无反压关断过程。在重复工作的情况下，晶闸管工作在电流过零关断的模式下易发生损坏［３］。
并联晶闸管触发同步性
晶闸管的并联使用，需确保均流问题。影响均流的主要因素为并联晶闸管的开通时间和通态伏安特性不一致。本文中晶闸管为同批次同型号，暂不考虑通态伏安特性不一致的影响。晶闸管的开通过程受其门极触发脉冲影响，强触发脉冲可以减小器件开通时间。因此给并联晶闸管施加同步、前沿极陡、强度足够的触发脉冲。假设Ｔ２触发延迟，图５为延迟为２０μｓ下并联晶闸管的电流仿真波形，表２为不同时延下晶闸管仿真工况。由图５可以看出，延迟触发的Ｔ２在开通时刻电流瞬间上升，提前开通的Ｔ１电流瞬间下降，最终达到两晶闸管电流相等。晶闸管的ｄｉ／ｄｔ达到ｋＡ／μｓ的量级，因此较易发生损坏。从表２可以看出，时延越大，晶闸管电流上升率越大。
本文基于ＰＳＣＡＤ软件进行激光电源脉冲功率切换电路仿真分析，指出器件损坏的原因，并提出参数优化配置方法。影响晶闸管工况的主要因素为阻容电路参数、关断支路限流电阻和并联晶闸管开通延迟。仿真分析得出：合理的阻容电路参数是保护晶闸管的常用方法。阻容回路时间常数对晶闸管的影响很大，分析表明开通回路中晶闸管阻容吸收回路参数配置不当是造成开通晶闸管损坏的原因。阻容回路时间常数应为μｓ量级，电阻为数十Ω。关断支路中的限流电阻Ｒ０显著影响晶闸管、二极管的反向电压、导通电流以及ｄｉ／ｄｔ。增大限流电阻有利于降低二极管上的反向电压，减小关断二极管和晶闸管的ｄｉ／ｄｔ，同时降低晶闸管两端的反向电压，但为保证晶闸管存在反压关断过程，电阻Ｒ０必须在一定范围内。触发同步性是并联晶闸管长期正常工作的必要条件。若并联晶闸管开通时刻不一致，在后开通的晶闸管开通瞬间，晶闸管ｄｉ／ｄｔ达到ｋＡ／μｓ量级。综合仿真分析，认为阻容回路参数配置不当，开通瞬间电流上升率过大是导致晶闸管门极处损坏的主要原因。关断支路限流电阻过小，关断支路导通时二极管上反压过大是导致二极管阀片边沿处损坏的主要原因。通过电流参数优化配置后，实际激光电源脉冲功率切换电路运行结果表明晶闸管和二极管可以长期可靠工作。
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