便携式固体脉冲激光电源研究

我国对激光器的研究较迟，对激光电源的研究也是建立在国外研究的基础上。
激光器电源是激光器装置的重要组成部分，激光电源的性能直接影响激光器的转换效率、输出稳定性以及整个系统的体积和激光器的寿命［5］。随着激光技术的发展，对电源的要求也进一步提高，对研制出性能好，体积小，重量轻，可靠性高，稳定度好的配套激光器电源有迫切的要求。而脉冲激光器的电源的体积、重量主要取决于电源的充电电路的充电效率的高低和放电电路的结构。目前脉冲激光电源大都采用功率绝缘栅场效应晶体管(VMOS)和IGBT做开关的直流变换器，把直流电源变换成高频高压交流电再经整流 给 储 能 器 充 电，通过放电电路向脉冲灯放电［6］。在输出功率一定时，工作频率的1/2次方与体积成反比，也就是说在提高工作频率的同时就可以缩小体积，从而减少重量。本文的设计采用功率绝缘栅场效应晶 体 管(VMOS)做开关以及变换频率为200kHz的恒流变换器。
 
激光电源的主电路设计
变换器的体积和重量关键取决于变换器的电路形式、变换频率以及效率这三部分因素。
 
电路选取
充电电路有很多形式，而充电效率高的电路主要有直流谐振充电电路、高频L－C谐振充电电路、恒功率充电电路以及恒流变换器充电电路［7］。第一种电路优点是充电效率高，其不足之处是需要先把低压直流变换成一高压 直 流 再 进 行L－C谐 振 充 电［8］，此 过程中需要一个大的谐振电感;第二种电路是目前大功率脉冲激光电源的主要形式，由于电路工作在谐振状态时，回路谐振电流大，因此对开关元件参数的要求高;第三种电路受第一周充电时间的限制［9］，适用于高频小功率电源;第四种电路在中小功率的电源中被普遍采用，适合于由低压电源供电的激光器，可将几十伏的低压电源变为上千伏的高压电［10］。相比较而言，本文最终选择第四种电路，其优点就是在变换频率提高的同时，变压器、电感以及电容的体积都会相应减小。 主变压器的设计
在理想的条件下，变换器可等效为图2，输入振幅为E0、频率为f0的高频方波电压，其基 波 为U=(4/π)E0sinω0t。当回路发生共振时，即回路的固有频率与变换频率相等时，负载电流为Im=U/ω0L0，与负载大小无关，当电源输入电压一定时，负载电流仅与电感有关，形成恒流源［11］。 控制电路设计
 
主电路继电器的选取
在控制电路中主电继电器用晶闸管V1替代。晶闸管V1的驱动通过变换回路的电流互感器的输出电压来控制。
 
驱动电路
电路中的比较器本文选择了LM339也就是四路差动比较器，这是一款在电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器［13］;在脉宽调制这方面，本文选择了TL494。TL494是一种固定频率脉宽调制电路［14］，包含了开关电源控制所需的全部功能［15］，而且其死区可调，很适合本文研究的小型化激光电源。 恒流源特性
稳压 环 节 中，采 用LM339组 成 的 升 频 延 时 关 断电路和2ms再投入电路，使在关断功率开关管时的干扰减少并提高充电电压的稳定性，图4中上曲线为储能电容器上的充电电压，下曲线为变换回路的电流曲线。
 
放电电路设计
在一般电源电路的放电电路中，为了提高电光转换效率，减少电磁辐射的干扰，提高灯的寿命，将会采用预燃型放电电路［16］。 灯泵固体脉冲激光电源的小型化设计采用变换频率为200kHz的L－C恒流变换器，不仅充电效率大于85%，而且大大减小了变压器、电感和电容的体积;电路中采用晶闸管做主电继电器、扁平形式绕制的的电感以及利用准预燃电路代替预燃电路都大大地减小了体积和重量，除此之外，采用电压比较器构成的双稳态电路做为过流，过压检测电路简单，响应快。