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1 引言 脈沖氙燈是高功率脈沖激光電源常用的泵浦燈，在重復(fù)率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預(yù)燃電流。這樣有利于延長氙燈壽命，提高泵浦效率，減小點(diǎn)火脈沖引起的射頻干擾和電磁干擾，可以消除由高壓點(diǎn)火帶來的紫外輻射。 對于兩支串聯(lián)的110 mm×Φ7 mm脈沖氙燈，在觸發(fā)前，電極兩端應(yīng)維持1 500 V左右的著火高壓；當(dāng)觸發(fā)高壓(15 kV左右)在1～2 μs內(nèi)形成弧光放電，氙燈的等效電阻迅速減小，燈內(nèi)形成穩(wěn)定的預(yù)燃電流。對于10 Hz的重復(fù)率脈沖氙燈，其預(yù)燃電流一般應(yīng)維持在120 mA左右。這種預(yù)燃電源取代了以往用大功率電阻來限流的方法，使電源的效率有了很大提高。其特點(diǎn)是：1)著火電壓與預(yù)燃電流分別由不同電路提供，這樣可以分別調(diào)節(jié)著火電壓和主回路預(yù)燃電流；2）采用零電壓開關(guān)的軟開關(guān)技術(shù)，減小功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高諧振頻率，減小電源的體積；3)一般氙燈的負(fù)載既有短路(主回路大電流放電時(shí))又有斷路(觸發(fā)前)的情況，主回路采用串并聯(lián)準(zhǔn)諧振電路，使負(fù)載在開路或短路時(shí)都不影響主回路諧振，能夠可靠穩(wěn)定的工作。 預(yù)燃電源的原理圖如圖1所示。其中預(yù)燃電路的主回路采用零電壓串并聯(lián)準(zhǔn)諧振型開關(guān)電源，著火電壓由倍壓電路提供，采用外觸發(fā)方式。 圖1 預(yù)燃電源的原理圖 VDMOS驅(qū)動(dòng)隔離電路如圖2(a)所示，相應(yīng)的柵源兩端的電壓Ugs(f＝100 kHz)波形如圖2(b)所示。從波形圖可見，用快速光耦6N136來提供驅(qū)動(dòng)隔離，用比較器LM311來對驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行整形，兩個(gè)三極管采用圖騰柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得驅(qū)動(dòng)信號的上升沿和下降沿都很陡，VDMOS在很高開關(guān)頻率的情況下能快速的導(dǎo)通和關(guān)斷。 圖2 VDMOS驅(qū)動(dòng)隔離電路及其驅(qū)動(dòng)波形 2 零電壓串并聯(lián)準(zhǔn)諧振逆變器的研究 2．1 零電壓串并聯(lián)準(zhǔn)諧振逆變器的數(shù)學(xué)分析 零電壓串聯(lián)準(zhǔn)諧振逆變器的原理圖如圖3所示；1個(gè)開關(guān)周期逆變器各諧振狀態(tài)(只畫出前4個(gè))等效原理圖如圖4所示，相應(yīng)波形如圖5所示。 圖3 零電壓開關(guān)逆變器原理圖 圖4 1個(gè)開關(guān)周期逆變器各狀態(tài)等效原理圖 圖5 逆變器工作波形圖 逆變器在1個(gè)周期內(nèi)的工作過程可分為8個(gè)狀態(tài)，由于后4個(gè)與前4個(gè)是一一反對稱的，因此只對前4個(gè)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析［3］。首先假設(shè)：1)開關(guān)管開通時(shí)諧振電流近似為零；2)在第1、3、4狀態(tài)，勵(lì)磁電流近似為零。 以下狀態(tài)方程中各參數(shù)定義為：i為諧振電流，Cn為各狀態(tài)等效諧振電容，L為等效諧振電感，Uc為等效諧振電容上電壓。 1）t0～t1：如圖4（a）所示。在t0時(shí)刻，功率開關(guān)管T1開通，諧振電流給Cp充電，勵(lì)磁電流幾乎為零。 初始條件為 i（t0）＝i0＝0 Uc（t0）＝Uc0 諧振回路的狀態(tài)方程為 解以上方程得 Uc（t）＝E＋（Uc0－E）cos［ω1（t－t0）］ （1） i（t）＝［（E－Uc0）／Z1］sin［ω1（t－t0）］ （2） 式中 2)t1～t2：如圖4(b)所示。諧振電流的大部分用以產(chǎn)生勵(lì)磁電流，為負(fù)載提供電流I0，直至T1關(guān)斷為止。 初始條件為 i（t1）＝i1 Uc（t1）＝Uc1 諧振回路的狀態(tài)方程為 解以上方程得 Uc（t）＝E＋（Uc1－E）cos［ω2（t－t1）］＋i1z2sin［ω2（t－t1）］ （3） i（t）＝［E－Uc1／Z2］sin［ω1（t－t1）］＋i1cos［ω2（t－t1）］ （4） 式中 C2＝Cs ω2＝1／LC2 z2＝L／C2 3)t2～t3：如圖4（c）所示。在t2時(shí)刻，T1零電壓關(guān)斷，C01開始充電，同時(shí)C02開始放電，直至C01兩端為電源電壓E，而C02兩端電壓為0為止。 初始條件為 i（t2）＝i2 Uc（t2）＝Uc2 諧振回路的狀態(tài)方程為 ir1＋ir2＝i 解以上方程得 式中 4)t3～t4：如圖4(d)所示。在t3時(shí)刻，與T2并聯(lián)的二極管D2導(dǎo)通，諧振電流通過D2回零，直至T2導(dǎo)通為止。 初始條件為 i（t3）＝i3 Uc（t3）＝Uc3 諧振回路的狀態(tài)方程為 解以上方程得 Uc（t）＝（Uc3－E）cos［ω4（t－t3）］ （7） i（t）＝［（E－Uc3）／Z4］sin［ω4（t－t3）］＋i3 （8） 式中 2．2 零電壓開關(guān)串并聯(lián)準(zhǔn)諧振回路參數(shù)的選取 通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)分析可知，預(yù)燃時(shí)諧振電流imax的大小決定了在零電壓開關(guān)時(shí)電源最大輸出功率的大小。imax可近似由下式確定： 在零電壓開關(guān)時(shí)，開關(guān)頻率的大小近似由下式確定(f0略小于fr)： f0＝fr＝1／2π 因此，在給定開關(guān)頻率和最大輸出功率的條件下，可以近似確定L和Cp。對于100 W左右的輸出功率，Cs一般取大于10 Cp即可。 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C01、C02的大小對諧振頻率沒有影響，只影響VDMOS關(guān)斷瞬間，C01、C02的充放電速度。C01、C02越大，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通所對應(yīng)的最大導(dǎo)通時(shí)間越小，電源的最大輸出功率越小。 2．3 實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的條件 通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間，可以控制電源的輸出功率，但會(huì)影響零電壓開關(guān)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)零電壓開通時(shí)，圖3中A點(diǎn)的電壓波形如圖6（a）所示。下面分3種情況進(jìn)行討論。 1）導(dǎo)通時(shí)間大于T1［圖3中A點(diǎn)的波形如圖6（b）所示］由(2)式和(4)式可得 2）截止時(shí)間小于T2［圖3中A點(diǎn)的波形如圖6（c）所示］其中T2由Uc01＝（1／C01）∫T20（1／2）dt＝E式求出。 3）截止時(shí)間大于T2＋T3［圖3中A點(diǎn)的波形如圖6（d）所示］由(8)式［（E－Uc3）／Z4］sinω4T3＝0可求出T3。 圖6 圖3中A點(diǎn)電壓波形 從波形圖可見，以上3種情況都不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，在開關(guān)管非零電壓導(dǎo)通瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電流，功率開關(guān)管的開通損耗很大，VDMOS嚴(yán)重發(fā)熱。應(yīng)避免使功率開關(guān)管工作在這3種情況下。 作者：葉志生 |
