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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，在重復率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預燃電流。這樣有利于延長氙燈壽命，提高泵浦效率，減小點火脈沖引起的射頻干擾和電磁干擾，可以消除由高壓點火帶來的紫外輻射。 對于兩支串聯的110 mm×Φ7 mm脈沖氙燈，在觸發前，電極兩端應維持1 500 V左右的著火高壓；當觸發高壓(15 kV左右)在1～2 μs內形成弧光放電，氙燈的等效電阻迅速減小，燈內形成穩定的預燃電流。對于10 Hz的重復率脈沖氙燈，其預燃電流一般應維持在120 mA左右。這種預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。其特點是：1)著火電壓與預燃電流分別由不同電路提供，這樣可以分別調節著火電壓和主回路預燃電流；2）采用零電壓開關的軟開關技術，減小功率開關管的開關損耗，提高諧振頻率，減小電源的體積；3)一般氙燈的負載既有短路(主回路大電流放電時)又有斷路(觸發前)的情況，主回路采用串并聯準諧振電路，使負載在開路或短路時都不影響主回路諧振，能夠可靠穩定的工作。 預燃電源的原理圖如圖1所示。其中預燃電路的主回路采用零電壓串并聯準諧振型開關電源，著火電壓由倍壓電路提供，采用外觸發方式。 圖1 預燃電源的原理圖 VDMOS驅動隔離電路如圖2(a)所示，相應的柵源兩端的電壓Ugs(f＝100 kHz)波形如圖2(b)所示。從波形圖可見，用快速光耦6N136來提供驅動隔離，用比較器LM311來對驅動信號進行整形，兩個三極管采用圖騰柱結構進行驅動，使得驅動信號的上升沿和下降沿都很陡，VDMOS在很高開關頻率的情況下能快速的導通和關斷。 圖2 VDMOS驅動隔離電路及其驅動波形 2 零電壓串并聯準諧振逆變器的研究 2．1 零電壓串并聯準諧振逆變器的數學分析 零電壓串聯準諧振逆變器的原理圖如圖3所示；1個開關周期逆變器各諧振狀態(只畫出前4個)等效原理圖如圖4所示，相應波形如圖5所示。 圖3 零電壓開關逆變器原理圖 圖4 1個開關周期逆變器各狀態等效原理圖 圖5 逆變器工作波形圖 逆變器在1個周期內的工作過程可分為8個狀態，由于后4個與前4個是一一反對稱的，因此只對前4個狀態進行數學分析［3］。首先假設：1)開關管開通時諧振電流近似為零；2)在第1、3、4狀態，勵磁電流近似為零。 以下狀態方程中各參數定義為：i為諧振電流，Cn為各狀態等效諧振電容，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時刻，功率開關管T1開通，諧振電流給Cp充電，勵磁電流幾乎為零。 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生勵磁電流，為負載提供電流I0，直至T1關斷為止。 初始條件為 i（t1）＝i1 Uc（t1）＝Uc1 諧振回路的狀態方程為 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時刻，T1零電壓關斷，C01開始充電，同時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時刻，與T2并聯的二極管D2導通，諧振電流通過D2回零，直至T2導通為止。 初始條件為 i（t3）＝i3 Uc（t3）＝Uc3 諧振回路的狀態方程為 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 零電壓開關串并聯準諧振回路參數的選取 通過實驗及數學分析可知，預燃時諧振電流imax的大小決定了在零電壓開關時電源最大輸出功率的大小。imax可近似由下式確定： 在零電壓開關時，開關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。 通過實驗發現，C01、C02的大小對諧振頻率沒有影響，只影響VDMOS關斷瞬間，C01、C02的充放電速度。C01、C02越大，開關管實現零電壓開通所對應的最大導通時間越小，電源的最大輸出功率越小。 2．3 實現零電壓開關的條件 通過調節功率開關管的導通時間和截止時間，可以控制電源的輸出功率，但會影響零電壓開關的實現。實現零電壓開通時，圖3中A點的電壓波形如圖6（a）所示。下面分3種情況進行討論。 1）導通時間大于T1［圖3中A點的波形如圖6（b）所示］由(2)式和(4)式可得 2）截止時間小于T2［圖3中A點的波形如圖6（c）所示］其中T2由Uc01＝（1／C01）∫T20（1／2）dt＝E式求出。 3）截止時間大于T2＋T3［圖3中A點的波形如圖6（d）所示］由(8)式［（E－Uc3）／Z4］sinω4T3＝0可求出T3。 圖6 圖3中A點電壓波形 從波形圖可見，以上3種情況都不能實現零電壓開通，在開關管非零電壓導通瞬間，會產生很大的尖峰電流，功率開關管的開通損耗很大，VDMOS嚴重發熱。應避免使功率開關管工作在這3種情況下。 作者：葉志生 |
