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大功率YAG脉冲激光电源系统的改进设计

激光具有普通光源所不具有的特性,即单色性,相干性和方向性好,以及亮度高特有的优点,使其在几乎所有的医学领域均得到应用。
为了实现选择性光热解作用,必须满足如下3个重要的条件:
(1)激光波长。能作用到目标组织并充分有效地被目标组织吸收;
(2)激光脉冲宽度。小于或者等于目标组织的热驰豫时间;
(3)能量密度。能够使目标组织达到被破坏的温度。
 
目前,激光美容医学的研究范围已经扩大到祛除皮肤色素性病变、血管性疾病、脱毛和除皱等领域。笔者主要围绕着大功率YAG脉冲激光电源系统进行设计与改进。
 
系统的工作原理
该脉冲激光电源[2]在脉冲方式下,输出最大为16250J的能量,且放电时间、放电次数及放电时间间隔均可在一定范围内调节,从而实现氙灯输出能量可调。
 
氙灯为具有负阻特性的气体放电灯,它对电源提出如下要求:
(1)高压触发脉冲,大约为2万伏左右的高压电脉冲。
(2)氙灯预燃所需的维持电流,一般在80~200mA。
 电源整体设计
如图1所示,电源上电后,首先启动预燃电路,使氙灯预燃,进入辉光放电状态。氙灯预燃稳定后,自动给控制电路上电,使整个电源系统工作。电源的主电路工作过程如下:首先由控制系统发出充电信号,启动逆变器向储能电容器充电,并实时监控电容器上的电压,当电容器充电到预定值时系统便自动产生封锁信号关闭逆变器,此时电源处于稳压状态,即准备放电状态。当控制系统产生放电信号时,触发放电开关,储能电容器里的电荷向氙灯快速放电,若放电能量到达一定值便可使氙灯发光。
 
系统的改进设计
 
在开关电源中,如果没有功率因数校正,当交流电输入经过整流后,直接加到滤波电容两端。只有交流输入电压高于滤波电容两端的电压时,滤波电容才开始充电,因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲,如图2所示。
 没有加功率因数校正网络的参数
没有采用功率因素校正的开关电源还会存在一些问题,比如谐波电流会污染电网并干扰其他设备。另外,在输出功率一定的条件下,输入电流有效值大,因此必须增大输入熔断器等的规格。因此将主电路改为如图3所示,以提高电源的功率因数。
 改进电源部分设计
电源输入级插入功率因数校正网络[3],通过适当的控制电路不断调节输入电流波形,使其逼近正弦波,并与输入的电网电压保持同相,这样就达到了功率因数校正的目的。
加功率因数校正网络的参数
加入功率因数调整后,滤波电容充电电流变为图4所示。
 
系统主电路的改进设计
 
电源的主电路结构如图5所示,由输入整流滤波电路、单相逆变桥、高频变压器、功率因数校正芯片UC3854、谐振电感和隔直电容,以及输出整流电路等组成。
输入整流滤波电路是将单相交流电进行整流、滤波,为单相逆变桥提供一个平滑的直流电压。单相逆变桥由4个IGBTQ1-Q4组成,为高频变压器提供脉宽可调的高频交流方波电压。高频变压器Tr起到传送功率和升压的作用,谐振电感Lr用来帮助实现IGBT的零电压开关,而隔直电容C则是用来防止高频变压器直流磁化。由于IGBT的驱动电路的不一致,IGBT的离散性和电压误差放大器的调节作用,逆变桥的交流方波电压中含有较小的直流分量。如果不用隔直电容将直流分量隔去,高频电压器就会饱和,导致逆变桥烧毁。
 电源主电路图
 
针对传统大功率YAG脉冲激光电源的改进设计,减小了干扰,提高了效率,今后的工作是对其进行进一步优化,提高器件的效率和输出功率。随着激光技术的不断发展,大功率激光电源必将应用于更多领域,因而对它的研究有着深远的意义。
 
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