基于逆变器输出串联拓扑结构的氦氖激光器高压电源

摘 要： 设计了一种逆变器输出串联拓扑结构的氦氖激光器高压电源，并对电压电流双环控制策略进行了讨论。仿真和实验结果表明，该氦氖激光器高压电源满足了激光管点亮和正常工作的要求，并且能够实现自动稳流，在激光管加速寿命实验中有着重要的意义。
关键词： 氦氖激光器高压电源；输出串联；电压电流双环控制

氦氖激光器在精密计量、准直、导航、全息照相、通信、激光医学等方面有着极其广泛的应用。随着激光技术不断扩展到国民经济中的各个领域，激光器使用寿命就愈发显得重要。在激光器加速寿命试验中，激光管电流的稳定是数据采集准确性的重要保证。而激光管的电流能否稳定关键在于电源的输出能否稳定。
参考文献[1]设计的He-Ne激光器电源结构简单、元器件少、耐冲击性高，但其所使用的变压器仍是工频变压器，体积大、不易携带，并且易受外界干扰，不适合长时间工作；参考文献[2]提出的一种新颖的He-Ne激光器电源，采用变压器进行升压，通过电阻分压的方式降低激光管两端的电压，电源效率低；参考文献[3-4]所提出的激光电源电路采用高频变压器和倍压整流电路共同作用产生气体激光器的击穿电压，但是其输出电压稳定性及带载能力都差。
本文所设计的氦氖激光电源采用两个半桥逆变器输入、并联输出串联的方式为激光器提供击穿电压，单个逆变器可为激光管提供正常工作的电压，采用电压电流的双环控制策略使得激光管输出电流稳定。
1 电路设计与工作原理
高压直流辉光放电激励是氦氖激光器的主要激励方式，为了使激光管进入正常的辉光放电状态，其两端的电压必须达到击穿电压。激光管击穿后，电源还应该能保证放电管正常的工作电压和电流。对于250 mm氦氖激光管，其击穿电压约为5 kV，正常工作电压约为1 800 V。氦氖激光高压模块电源的功率电路和采集反馈回路如图1所示。

图中C10、C11、VT1、VT2和T1构成半桥逆变器1；C12、C13、VT3、VT4和T2构成半桥逆变器2。两个半桥逆变电路采用输出串联[5]的方式提供激光管的击穿电压，继电器K1控制半桥逆变器2的工作。电路开始工作时，控制继电器K1闭合，此时两个半桥逆变器同时工作，其输出经过整流滤波后，再串联为激光管提供击穿电压。当激光管点亮后，控制继电器K1断开，半桥逆变器2停止工作，半桥逆变器1的输出经过二极管支路为激光管提供正常工作的电压。当电路中的负载发生变化时，采集电路采集的电流信号反馈给控制电路，通过调节PWM的占空比使得激光管工作保持稳定。
2 电压电流双环控制策略
由图1可知，本文所设计的氦氖激光电源采用了电压电流双环控制，电流内环采集的是电感电流，将逆变器、变压器和整流滤波看成一个DC-DC变换器，因此图1可以等效为图2的形式。

双环控制分为电流内环和电压外环控制，其中电流内环调节系统的方框图如图3所示。vCP为电压补偿网络的输出，GM(s)为PWM传递函数，Gid(s)为变换器的传递函数，GC(s)为电流补偿网络的传递函数，RS为电流采样网络的传递函数，从而可得电流内环传递函数为：

电压外环控制的调节系统方框图如图4所示。

所设计的激光电源参数为：开关频率fs=100 kHz，逆变器输入电压为200 V～310 V，变压器匝数比1:20。激光管正常工作时，电路输出为1 800 V。电路输出电流io=6 mA，电感L1=L2=10 mH，输出电容为C14=C15=220 μF，采样电阻RS=10 Ω，电流为6 mA时，负载电阻为300 kΩ，PWM波峰峰值为20 V。根据参考文献[6]可知，半桥逆变器可以等效成BUCK变换器。电流和电压的补偿网络均采用单极点-单零点网络[7]。电压电流双环控制系统的波特图如图5所示。

曲线1为电压电流双环开环传递函数，曲线2为电压电流双环闭环传递函数。从曲线1可知，双环控制时，其穿越频率为4.32 kHz，在这个频率下，控制系统的相位裕度达到了65°,幅值裕度也大于0，因此双环闭环系统的稳定性好。在含有电流内环控制的系统中，无论是输入输出的波动都会引起电感电流或者功率开关管的变化，通过电流反馈信号使得控制系统调节不会像电压单环控制型那样等到电压变化才起到控制调节作用。在双环控制系统中，电流控制环的控制对象为一阶积分或者近似为一阶积分环节，所以电流控制环有很好的稳定性。由于电流控制环的等效功率级电路是电压控制环的控制对象(这是一个单极点型控制对象)，因此相位裕度大，使系统具有较好的稳定性。
3 电路仿真与验证
利用Multisim 10仿真软件对硬件电路进行仿真，电路采用电压电流双环控制的模式，电压和电流的补偿网络均采用单极点-单零点的方式[7]，其电源电压输出波形如图6所示。

从图6(a)中可以看出，电源的输出电压波形可以满足激光管点亮与正常工作的要求，说明硬件电路设计满足激光管的要求。电源电路的输出电压从0 V上升到5 000 V左右只需要40 ms的时间，上升过程相当快。到达5 000 V左右后，维持60 ms的时间，这个过程用来点亮击穿激光管。然后输出电压立即下降到1 800 V左右，达到激光管的正常工作电压。当激光管正常工作、电源输出电压稳定后，如果负载减少一定值，从图6（b）可以看出电流有波动，但是很快就稳定了,电流稳定后与前一稳态的值相比误差很小，说明该激光电源能够实现自动稳流。
4 实验
制作了一个原理样机，开关管使用IRFP460，其耐压达到500 V，最大电流为20 A；PWM芯片选用SG3525,驱动芯片使用IR2110。对250 mm的氦氖激光管进行实验，在实验过程中串联一个电流表。实验结果发现，当激光管点亮后延迟了很短时间，电流表的读数从12 mA跳到6 mA左右，并保持稳定。当增加或者减少负载时，电路中的电流有一个小的波动，但是很快就稳定了，这表明该款电源的确能够实现自动稳流，说明了理论分析的正确性。
通过对激光器电源性能要求的分析，设计了一个基于半桥逆变器输出串联拓扑结构的氦氖激光器高压电源，并对电压单环控制和电压电流双环控制两种控制策略进行了讨论和比较，最后得出了电压电流双环控制更利于激光器稳定工作的结论。与其他电源相比有结构简单、控制方式容易、稳定性好的优点，这对于氦氖激光管加速寿命试验中有重要意义。
参考文献
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[6] 张容荣，阮新波.输入并联输出串联变换器系统的控制策略[J].电工技术学报，2008，23（8）：86-93.
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