脉冲激光电源的设计与研制

中心议题：
    * 脉冲激光电源的设计与研制

1 引言

传统的脉冲激光电源虽然实现了非线性化，取代了老式的线性倍压整流技术，使得整体的转换效率、体积、重量及充放电时间等重要参数均有了较大的改善。另外，非线性激光电源可靠性的不断提高和产品化，使得激光技术的应用又上了一个新的台阶。但是这种非线性激光电源仍然存在着工作频率一直是在20kHz以下，不能进一步提高的缺点，这样，就导致了传统的非线性激光电源的转换效率、体积、重量以及充放电时间等不能改善到理想的状况。同时存在着令人十分烦噪的声频噪声。为了解决这些问题，我们设计和研制成功了一种工作频率在100kHz的非线性脉冲激光电源。

2 电路的组成

脉冲激光电源的原理方框图如图1所示。它由触发电路、主变换器电路和高压充放电电路等三大部分组成。其电路原理图如图2所示。


图1 脉冲激光电源的原理方框图


图2 脉冲激光电源电路原理图
3 电路的工作原理

3.1 触发电路的工作原理

从图2可以看出，触发电路部分主要是由触发指示电路和触发电路组成，具体由IC1的LBI和LBO端，V1、LED、VD1以及K1和K2来完成，当变换器通过变压器T1、二极管VD2和VD3向电容器充电时，取样电路（由R10、R9、W1、W2、W3、R1组成）将其充电电压值反馈给IC1的LBI与VFB端，一旦电压充到所需的电压值时（大约为1kV左右），这时LBI端的电压值将大于1.3V，LBO端就会变为高电平，V1导通，LED变亮，指示出电压已充到可以触发的状态。另外取样电路将反馈信号还送入IC1的VFB端，若反馈信号的电压值≥1.3V时，即刻关断变换器，使高压维持到所需的值上，触发器件由高耐压、大电流的汽车级的晶闸管BT151/800R来担任。

3.2 主变换器的工作原理

主变换器电路主要是由IC1（MAX641/642/643）、变压器T1以及V2等元器件组成的单端反激式升压电路。其电路的核心部分为MAX641/642/643，所以这部分电路的工作原理分析以及MAX641/642/643的技术参数及其应用请查阅文献[1]。这里只给出高频自耦升压变压器的技术资料，以供同行们在制作时参考。铁芯选用4kBEE型铁氧体，骨架选用与铁芯对应配套的EE19型立式骨架，其技术参数如图3所示。


图3 T1变压器的技术参数
3.3 充放电电路的工作原理

充放电电路主要是由电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12、C13、R14、升压变压器T2等组成。当电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12被充到所设定的高压值时，电容C13中的电压也同时被充到所要求的电压值（300V左右），这时闭合K1或K2，晶闸管V3被触发导通，电容C13中所储存的能量通过变压器T2的初级绕组放电，使次级绕组感应出约10kV左右的高压，将激光器中的气体电离。在电离的同时，电容器C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中所储存的能量将这个电离的过程维持到一定的时间，从而就得了所需的激光脉冲。

4 重要元器件的选择及技术要求

1）储能电容由于储能电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12要在很短的时间内为激光器提供足够大的能量，所以在选择该电容时，除了要求其具有足够高的耐压值（≥350V）以外，还必须要求其具有快速充电和放电的特性，即应选择印有“PHOTOFLASH”的光闪电容。

2）升压变压器升压变压器除了其初级绕组供电容C13放电，以使次级电压升高到10kV以上外，还要满足当气体被电离以后，通过次级绕组将电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中的能量全部释放给激光器，以便能够激发出很强的激光束来。所以次级绕组既要匝数多，又要电阻很小，同时还要满足耐高压的要求。变压器磁芯选择环形3kB的铁氧体材料，初级绕组选用�1.0的聚四氟乙烯镀银高压线绕制，次级绕组选用�0.32的聚四氟乙烯镀银高压线绕制，铁芯磁环选用外径35，内径12，厚度10的软磁铁氧体。其技术参数如图4所示。


图4 T2升压变压器的技术参数
3）MAX641/642/643选择时几点说明

（1）MAX641输出的PWM信号驱动V2所输出的方波幅度为5V；
（2）MAX642输出的PWM信号驱动V2所输出的方波幅度为12V；
（3）MAX643输出的PWM信号驱动V2所输出的方波幅度为15V。