CO2激光器高压高频充电电源的应用研究

石宝松,孙守红,张兴亮,2

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院大学,北京 100049)

·激光器技术·

CO2激光器高压高频充电电源的应用研究

石宝松1,孙守红1,张兴亮1,2

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院大学,北京 100049)

为改善现有CO2激光器工频充电电源体积、重量大、充电精度低等缺点,开展高频高压充电电源的研究,研制一台采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路、输出电压36 kV、输出平均充电功率为10 kJ/s的高频高压充电电源。该电源系统采用三相380 VAC作为供电系统,大功率智能功率模块(IPM)作为全桥逆变电路,逆变交流信号经串联谐振电路及高频脉冲变压器得到高压脉冲信号,高压脉冲经整流给负载电容充电；同时,电源应用电压、电流双闭环控制系统,输出电压、电流经采样及放大反馈到电源控制芯片SG3525,SG3525通过判断反馈信号的大小控制输出PWM驱动信号的占空比。实验结果表明:电源输出电压36 kV,输出平均功率为10.8 kJ/s,充电效率为0.82,电源纹波系数为1%。电源系统保证了激光器稳定工作在30 Hz条件下。

CO2激光器；串联谐振；充电电源；脉冲变压器；高频；高压

1 引 言

随着现代科学技术的进步,以激光器为基础的激光技术得到了迅速的发展,在光电对抗、航空航天、雷达探测、电子仪表、工业加工等领域取得重大的应用。脉冲二氧化碳激光器因其脉冲能量高、重复率高、大气传输特性好等特点,成为当前应用最为广泛的高功率激光器之一[1-3]。CO2激光器采用脉冲功率电源系统,主要由充电电源、激励电路和控制电路三部分组成。充电电源指对储能元件提供能量的高压直流电源；激励电路指脉冲形成电路,即放电电路(包括开关元件)；控制电路包括开关触发电路以及激光器运行逻辑控制电路。

充电电源的功能是给储能放电回路中的电容器充电,当电容器被充至额定电压后,控制电路发出信号给触发电路,产生触发脉冲信号,使储能放电回路进行放电,由此产生的高压电脉冲激励激光谐振腔中的气体激光介质,从而产生激光。充电电源系统是CO2激光器的核心部件,其性能的改善对提高激光器的各项性能指标和运行稳定性举足轻重。目前我所大功率CO2激光器充电电源采用的是工频电源；工频电源存在体积、重量大,稳定性和精度低等缺点；针对串联谐振软开关充电电源体积小、重量轻,精度、稳定性和可靠性高等优点,开展对高性能高频高压充电电源的研究,最终将其应用于车载工程项目中,对提高激光器的性能、车载系统小型化具有重大的意义。

国外,串联谐振技术应用于电容器充电电源起步较早,很多公司和研究机构都已推出串联谐振式充电电源的成型产品,美国EMI公司研制了输出电压50 kV,平均充电功率30 kJ/s,整体效率85%的串联谐振充电电源,LAMBDA公司研制了输出电压50 kV,平均充电功率15 kJ/s,整体效率85%的串联谐振充电电源,TOSHIBA Corp公司研制了输出电压40 kV,平均充电功率19 kJ/s,整体效率80.4%的串联谐振充电电源。在国内,中国科学院电工研究所是国内研究、研制串联谐振充电电源起步较早、较为专业和应用范围较广的机构,他们研制的40 kW/10 kV数字化控制高频高压脉冲电容器恒流充电电源是国内在串联谐振充电领域的代表作；华中科技大学钟和清博士等研制的以定宽调频控制方式工作的0～25 kV可调的串联谐振充电电源也已应用于激光核聚变的能源系统[4-6]。本文采用串联谐振软开关的电路拓扑结构,应用PWM控制芯片SG3525作为整个系统的核心控制芯片,整个电源系统采用模拟电路方式实现。

高压充电电源系统工作时电磁干扰十分强烈[7-8],抑制电磁干扰同样是电源设计过程中必须重视的课题。根据充电电源的应用环境,设计了一套高压串联谐振充电电源系统,此串联谐振充电电源输出电压36 kV,平均充电功率10.8 kJ/s,整体效率80%,能在30 Hz条件下使大功率CO2激光器稳定工作。

2 串联谐振充电电源的工作原理

串联谐振充电电源是一种DC-DC变换器,具有恒流充电、体积小、效率高、功率密度大、适合宽范围变化负载等优点,并可使开关管工作在软开关状态,减少了开关损耗,改善了开关工作环境[9-15]。根据逆变器开关频率fs与谐振频率fr的关系,串联谐振充电电源共有3种工作模式:

fs

fr/2

fr

根据以上分析,选择电流不连续工作模式,此时开关管可实现零电流开关,开关损耗小。

如图1所示,全桥串联谐振充电变换器由功率开关管K1～K4、快恢复二极管VD1～VD4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、高压高频变压器Tr、输出整流桥D1～D4和负载电容组成。直流电压Ui经全桥变换器变成脉冲信号,脉冲信号经串联谐振电路谐振再通过高频高压变压器升压获得高压输出信号,此信号经整流桥整流后给负载电容C充电。

图1 全桥串联谐振充电电源主电路

为便于分析,假设高频变压器、高压硅堆及其他电路均为理想器件,忽略变压器的励磁电感、漏感,忽略高压硅堆的级间电容和导通电阻,则图1的等效电路如图2所示。负载电容C等效到原边的值C′=(N2/N1)2C,其中N1、N2分别为变压器原副边匝数。在一个开关周期内,电路可以分为四个工作阶段。

图2 串联谐振充电电源等效电路

第一阶段,假设在t0时刻,K1和K4开通,整流二极管D1和D4导通,等效电路如图3(a)所示。根据基尔霍夫电压定律,可以得到如下方程:

(1)

(2)

(3)

其中,v1是谐振电容Cr两端电压,v2是等效负载电容C′两端电压。由初始条件,在t0=0时刻,i(t0)=0,v1(t0)=0,v2(t0)=0,并令:

(4)

联立方程式(1)～(4)并将初始条件代入方程可得谐振回路电流：

(5)

第二阶段,谐振电流反向,反向二极管VD1、VD4导通,整流二极管D2和D3导通,等效电路如图3(b)所示。根据基尔霍夫电压定律,可以得到如下方程

(6)

(7)

(8)

令v1(t1)=VCr1,v2(t1)=VC1,解方程得:

(9)

第三阶段,在t3时刻开始,K2和K3开通,整流二极管D2和D3导通,谐振电流反向,等效电路如图3(c)所示。如第一阶段分析,可得谐振回路电流方程:

(10)

第四阶段,谐振电流与第一阶段同向,反向二极管VD2、VD3导通,整流二极管D1和D4导通,等效电路如图3(d)所示。可得谐振回路电流方程:

(11)

(12)

由式(12)可知,电路的每个充电周期平均充电电流恒定,当充电周期很小时,可理解为线性充电。

图3 各阶段等效电路

3 高压电源系统的设计

3.1 高压电源系统的组成

高压电源系统的组成如图4所示。整个系统由供电系统、无源PFC电路、整流滤波电路、全桥开关变换电路、串联谐振电路、高频高压变压器、高压整流桥、输出检测反馈及信号控制板组成。

图4 串联谐振充电电源系统的组成

电源系统的工作原理:全桥开关变换电路将整流滤波的直流电压转换为脉冲信号,脉冲信号经串联谐振电路整形再经高频高压脉冲变压器升压获得高压脉冲,高压脉冲经高压整流桥给负载电容充电,当负载电容充电到设定电压时,停止充电,当检测到负载电容电压小于预设电压,重新充电到预设电压。

3.2 供电系统选择

本电源系统平均充电功率为10kJ/s,电压36kV,属于高压大功率电源,选择三相380VAC作为电源的供电系统,整流后易于变压器的设计,但电路设计安规要求偏高。

3.3 全桥串联谐振电路设计

3.3.1 全桥开关变换器设计

智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)是一种先进的功率开关器件,兼有大功率晶体管高电流密度、低饱和电压和高耐压的优点,以及MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点,而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护(过流、短路、超温、欠压)电路,一旦发生负载事故或使用不当等异常情况,模块内部即以最快速度进行保护,同时将保护信号送给外部控制电路二次保护,使得IPM相比IGBT模块可靠性显著提高,并且IPM构成的全桥电路相比IGBT模块构成的全桥电路体积更小。本文的全桥开关变换器选择IPM,型号为PM300CLA120。

3.3.2 谐振参数设计

由380V的供电系统可知开关变换器的直流输入电压Ui≈500V,负载电容C=0.3μF,变压器的变比n≈94,系统的充电时间τ=19 ms,根据充电时间公式:

(13)

将参数代入公式(13),得:

(14)

根据选择的IPM知,其开关频率fs≤20kHz,选择IPM的开关频率为fs=20kHz,则谐振周期Tr=25μs。根据公式:

(15)

可得:

(16)

根据式(14)和式(16)可计算出:

Lr=23.6 μH,Cr=0.674 μF

实际应用中采用铁氧体磁芯绕制电感,电感值略大于23.6μH,选取电容Cr=0.66 μF,电容用2个标准的0.33 μF/1200 V电容并联组成。

3.4 高频高压变压器设计

高频高压变压器在整个系统中起着升压、能量传递和安全隔离的作用,是整个硬件系统中的核心组成单元[16-18]。本系统的输出功率10 kJ/s,工作频率20 kHz,变压器传递的电压波形为交变正负对称的方波,设计时要考虑两点:①保证铁芯材料在高频工作状态下的功率损耗尽可能小;②铁芯材料有较高的饱和磁通密度、动态磁导率和较好的温度特性。应用于开关电源高频功率脉冲变压器主要有铁基非晶、坡莫合金、锰锌铁氧体三种,根据变压器的工作频率和输出功率,选择铁基非晶材料的磁芯,磁芯型号为AM-C-500,磁芯材料的主要参数如表1所示。

表1 铁基非铁芯参数

磁芯窗口面积Aw=4×8.5=34cm2,磁芯有效截面积Ae=2.5×5.4=13.5cm2,则磁芯面积乘积AP=Aw×Ae=459cm2。

根据变压器的视在功率计算磁芯面积乘积,视在功率:

(17)

全桥变换器的面积乘积要求：

(18)

其中,η为变压器的效率,设为0.8；Bm为磁芯的工作磁通密度,选择0.5T。由公式(18)可知,选择的磁芯有一定的裕量,适合作为变压器磁芯。

输出充电电压UO=36kV,最大占空比Dmax=0.8,整流硅堆压降VD=440V,最小输入电压:

(19)

变压器变比:

(20)

最大输入电压:

(21)

变压器初级绕组:

(22)

为方便绕制,取初级匝数为10匝,则变压器次级绕组匝数为940。变压器磁芯为C型,有两个绕线柱,初级绕组分双柱绕,各4匝,用铜皮绕,厚度0.5mm,宽度80mm；次级绕组双柱各绕470匝,导线选用三重绝缘漆包线,绝缘层采取聚酰亚胺膜与NHN纸配合使用,绕组经反复浸漆后,用环氧树脂灌封,变压器安装在专用的屏蔽盒内,屏蔽盒两边开孔用以加风扇散热。

3.5 输出信号检测电路

本系统采用输出电压电流双闭环的模式,反馈电流采样用于控制信号占空比,反馈电压采样用于检测输出电压的幅值以及放电检测。电压采样采用阻容并联分压后滤波放大的方法,电流采样采用在地与高压整流桥之间加电阻采样地线电流的方法,由于采样电阻消耗功率很小,在设计电路时可以忽略。电路如图5～7所示。

图5 输出采样电路

图6 电流反馈放大电路

图7 电压反馈放大电路

4 系统仿真及测试结果

4.1 主电路仿真

为验证功率器件以及谐振参数的选择是否准确,有必要对主电路进行仿真,将变压器的副边参数折算到原边后得到主电路的等效电路,应用PSPICE软件对等效电路进行仿真得到的谐振电流以及输出电压仿真波形如图8、9所示。

图8 谐振电流波形

图9 负载电压波形

从仿真波形可以读出,负载电压在某一段时间内线性上升,在接近18ms时基本充满；谐振电流最大值小于110A,选择300A的IPM有2倍的裕量,这种选择适合工程应用。

4.2 测量实验与结果

本文将高压电源与激光器联机进行试验测量,保证激光器工作在相对低频率下,获得充电电源信号波形如图10所示；谐振电路电流波形由LEM公司型号为LA100-P的传感器测试得到,波形如图11所示；激光波形如图12所示。

由实验波形可知,充电电源给激光器主电容充电到36kV的时间为18ms,则电源系统的输出平均功率为10.8kJ/s。根据电流传感器输出端所接电阻R=80 Ω,可知谐振电路电流峰值约为100 A。

图10 充电电源波形

图11 谐振电流波形

图12 激光波形

对比仿真波形与实验波形可知,仿真在一定程度上可以指导工程的设计,但仿真与实验又有所不同,仿真为理想化的建模,而实验则更为复杂,并且受到环境的影响很大。用钳形表测量380 VAC进线端的电流有效值为34.8 A,则充电电源的转换效率为0.82。

5 结 论

根据高频高压充电电源充电速度快、精度高、体积小等特点,提出将高频谐振充电技术应用于高功率CO2激光器充电电源,并介绍了高频高压串联谐振充电电源的拓扑结构和工作原理。实验结果表明:研发的充电电源的平均输出功率为10.8 kJ/s,输出电压36 kV,纹波系数约为1%,转换效率为0.82,此电源与CO2激光器联机进行试验,激光器在30 Hz条件下稳定工作。

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Applied research of series resonant charging power supply for CO2laser

SHI Bao-song1,SUN Shou-hong1,ZHANG Xing-liang1,2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

In order to improve the disadvantage of the fundamental frequency charging power supply which has large volume,large weight and low charging precision,a high frequency and high voltage charging power supply including a full bridge inverter circuit and a series resonant soft switch circuit was developed,and its output voltage is 36 kV and average charging power is 10 kJ/s.Employing three phase 380 VAC as its energy system,high power intelligent power module(IPM)as full bridge inverter circuit,high voltage pulse charging for load capacitor is generated by series resonant circuit and high voltage pulse transformer.The system is controlled by sampling output voltage and output current,chip SG3525 controls duty cycle of driving signal by feedback signal.Experimental results show that output voltage of the charging power supply is 36 kV,output average charging power is 10.8 kJ/s,charging efficiency is 0.82 and ripple coefficient is 1%.The laser works stably in 30 Hz by applying the series resonant charging power supply system.

CO2laser;series resonant;charging power supply;pulse transformer;high frequency;high voltage

长春市地院合作创新集群专项(No.11DJ02)资助。

石宝松(1980-)，男，助理研究员，从事激光充电电源,大功率电机驱动方面的研究。E-mail:s3c2410@163.com

2014-11-07;

2015-04-21

1001-5078(2015)07-0775-07

TM89

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.009