小功率气体激光器开关电源的研制

孙 修，江 超

(湖北师范学院 物理与电子科学学院， 湖北 黄石 435002)

小功率气体激光器开关电源的研制

孙 修，江 超

(湖北师范学院 物理与电子科学学院， 湖北 黄石 435002)

详细介绍了一款小功率气体激光器开关电源的设计方法，对电源的主电路、控制电路、高频变压器和保护电路的设计方法做了具体的阐述，对设计出的电源进行了理论分析与实验验证。结果表明：该电源性能良好，电源输出电压稳定可调，电源效率高，电源体积小重量轻，有较大的实践应用空间。

开关电源；SG3524；PWM；变压器

近年来，各种各样的激光器已广泛应用于工业、医疗、教育，特别在军工行业应用越来越广，激光器电源作为产生激光能量的泵浦源，是激光器中最重要的部分之一，是决定激光器整体性能的重要指标[1]。如何设计出重量轻、体积小、损耗低、抗干扰性能强、稳定性高、静态误差小、动态响应快和功能齐全的激光器电源一直是激光器电源设计的一个前沿方向。本文针对气体激光器对电源的要求，设计了一款小功率气体激光器开关电源，它能够应用于小型气体激光加工设备中。

1 小功率气体激光器开关电源的设计

气体激光器在国防、科研、工业、医疗等各个领域都有广泛的应用，其工作电源一般要求具有起辉快、工作稳定等特点。本文根据这些要求设计了一款小功率气体激光器开关电源。电源的基本特点如下：1)输入电压：220V，电流3～5A，单相交流电；2)电源输出电压：5kV，电流1mA，高频交流电；3)工作方式：连续/脉冲工作；4)体积小、重量轻，不用笨重的工频变压器；5)开关电源的频率：f0= 100kHz.

1.1开关电源主电路的设计与分析

图1 电源原理框图

电源原理框架如图1所示，交流电源经整流单元1整流、滤波后，变成低压直流传送给逆变单元2，逆变单元2由触发单元5控制，它可使低压直流电压逆变成高频方波电压(或正弦波)，然后经高频高压变压器单元3，将电压升高变成高频高压输出。反馈单元6将输出的高压信号反馈到触发单元5作为控制信号。调整触发单元5的预置电压，就可调节输出电压。单元4是提供触发单元5的低压直流电源。触发单元5控制逆变单元2中开关管的截止与导通。另外，触发单元5的控制芯片还有过流、过压和频率调节的功能，当高压电源输出出现过负荷及短路时，触发单元可使逆变单元2停止工作，从而保护了开关管和整个直流电源。

图2 电源的主电路图

电源主电路图如图2所示，该电路为典型的半桥式逆变结构，根据开关电源的基本原理[2～3]，忽略损耗，其工作原理为：假设整流后的直流输入电压为336V，首先忽略小容量隔直电容，则高频变压器的初级线圈的下端可近似地的看作连接到C1和C2的节点。若C1和C2的容量基本相等，则该节点电压近似为整流电压的一半，约为168V.通常的做法是在C1和C2两端各并接等值放电电阻R1和R2来均衡两者的电压。CMOS管T1和T2轮流导通半个周期。T1导通，T2关断时，输入电压U0以正极性通过一次绕组的上半部分线圈，电压极性为上端为正，下端为负，高频变压器的初级线圈的同名端的电压为+168V，T2承受的电压为336V，二次侧电流经过输出整流管VD4给输出滤波电容C0和负载供电；同理，T2导通、T1关断时，输入电压U0以负极性通过二次绕组的下半部分线圈，电压极性为上端为负，下端为正，T1承受的电压也为336V，此时高频变压器初级线圈同名端的电压为-168V，二次侧电流经过输出整流管VD3给输出滤波电容C0和负载供电。半桥式变换器的工作波形如图3所示,根据脉冲开关电路分析方法，可以得到电源输出电压U0，输出功率P，占空比D以及滤波电感L分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

图3 半桥式变换器的工作波形

1.2开关电源控制电路的设计

图4 SG3524的脉冲控制电路

图5 SG3524的波形图

1.3开关电源控制保护电路的设计

为了电源能稳定可靠地工作，还设计了各种保护电路。其中对于串联调节管有管压降保护，当管压降超过一定值时，保护电路将快速关断控制三相交流供电的双向可控硅。对开关器件设计有温度保护，在其散热器上有热继电器测温，当温度超过一定值时，用输出信号去关断三相交流接触器从而切断三相交流电源。当电源产生过电压或过电流时，保护电路将快速封锁开关控制器和三相交流双向可控硅，同时还将关断三相交流开关，以确保电源不会输出高压。为了确保工作人员的安全，在高压电源开机时，一定要保证电压输出为零，因此电路中设计了在高压电源关机后，控制三相调压器自动回零。电源的控制保护电路如图6所示。

1.4开关电源高频变压器的设计

2 理论分析与实验验证

为了保证本课题设计的小功率气体激光器开关电源到达理想的要求，本文对设计的电源进行了实验验证，实验结果如表格1、2所示。

图6 电源的控制保护电路

表1 现有的激光电源发光情况

表2 本文设计的激光电源发光情况

从表中可以看出现有的激光电源在市电电压大范围波动时，激光器稳定输出的最低电压为190V，小于190V就会出现发光不稳定现象，市电电压降到170V时，激光电源基本没有激光输出；而本文设计的激光电源在市电电压达到160V时还能稳定工作，大幅度提高了现有电源的最低工作电压范围，实现了高稳定激光的输出，基本完成了设计的要求，证明了设计电源的可行性。

[1]高经伍, 赵凤华, 孙灵芳. 稳流稳光型He-Ne激光电源[J].高电压技术,2003,29(8):36～37.

[2]张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M].西安:电子工业出版社,1998.

[3]周志敏, 周纪海. 开关电源实用技术设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[4]张庆双. 电子元器件的选用和检测[M].北京:机械工业出版社,2003.

[5]江 超, 王又清, 李 波. 小功率气体激光器软开关电源的研究[J].电工技术, 2002,6(6): 78～80.

Designoflowpowergaslaserswitchingpowersupply

SUN Xiu,JIANG Chao

(College of Physics and Electronics, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

A low power gas laser switching power supply has been introduced in detail in this paper. The main circuit, the power supply control circuit, high frequency transformer and the protecting circuit have been elaborated. Results of the theoretical analysis and experimental verification for the power supply are good. The output voltage of the power supply is stable, adjustable. The power supply is high efficiency, small in size and light in weight. The power supply has great application space.

switching power supply;SG3524; pulse width modulation; transformer

2014—05—13

孙修(1990— )，男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为光电子器件.

TN86

A

1009-2714(2014)03- 0088- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.03.020