电源技术中的全桥型IGBT脉冲激光电源
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2020-12-13
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电源技术中的全桥型电源技术中的全桥型IGBT脉冲激光电源脉冲激光电源
全桥型IGBT脉冲激光电源南京航空航天大学 曾忠 詹晓东 （南京210016）摘要：文章介绍高压氙灯设计的IGBT
脉冲式激光电源，详细阐述了工作原理、设计方法和仿真过程，并给出实验波形。其主电路采用全桥PWM工作
方式，该电源具有很高的可靠性和良好的动态调节性能。关键词：脉冲激光电源PWMFull－ bridge IGBT
Pulsatile Laser Power Supply Abstract:The paper introduces the IGBT pulsatile laser power supply designed
for high voltage Xenon lamps,and
全桥型IGBT脉冲激光电源
南京航空航天大学 曾忠 詹晓东 （南京210016）
摘要：文章介绍高压氙灯设计的IGBT脉冲式激光电源，详细阐述了工作原理、设计方法和仿真过程，并给出实验波形。其主
电路采用全桥PWM工作方式，该电源具有很高的可靠性和良好的动态调节性能。
关键词：脉冲激光电源PWM
Full－ bridge IGBT Pulsatile Laser Power Supply
Abstract:The paper introduces the IGBT pulsatile laser power supply designed for high voltage Xenon lamps,and describes
its operation principle,designition and simulation.Experimental results are given.Its main circuit operates at full－ bridge
PWM mode.This power supply has the advantages of high reliability and excellent dynamic regulation performance.
Keyword: Pulse Laser Power Supply PWM
1引言
近年来，高功率Nd：YAG固体激光器已广泛用于工业加工领域和医疗仪器领域，如材料加工、激光测距、激光打标、激光医
疗、激光核聚变等。与气体激光器或其他激光器（如化学激光器，自由电子激光器等）相比，固体激光器具有结构紧凑、牢固
耐用等优点，其运行方式多样，可在脉冲、连续、调Q及锁模下运行。
2原理框图
本文介绍的激光电源为工作于重复脉冲方式的固体激光器提供电能。该激光器采用氙灯作泵浦光源，在惰性气体灯中，氙气的
总转换效率最高。激光器用于激光打标，工作频率每秒60次。电源系统采用IGBT管全桥逆变方式，工作频率为20kHz，控制
电路采用PWM方式。
图1原理框图
图1示出电源原理框图，整个电路可分为主电路（电力变换电路）和控制电路两大部分。来自电网的380V交流电压经整流滤波
后得到约520V左右的直流电压，加到桥式逆变器上。逆变器主功率开关采用三菱公司的CT60型IGBT管。PWM电路产生一对
相位互差180°的脉冲电压控制逆变桥的四个功率管，将直流电压变换为高频方波电压，再经高频高压整流桥得到高压直流
（约1400V），向储能电容Co充电。电容Co上电压充到预定值（1000V）后，控制电路发出信号，将放电晶闸管触发导
通，Co上电压快速向负载氙灯释放，激光器正常工作。
预燃触发电路针对负载氙灯特性而设，该型激光器要求先通入近两万伏的高压脉冲，将其内部击穿，再维持较低的连续电流
（约100～200mA），激光器才能在电容Co的断续放电状态下正常工作。因此，电源的工作步骤应是：开机——预燃触发
——电容放电。
3工作原理及仿真波形
图2示出电源主电路，V1—V4组成桥式逆变器，两端并联RCD吸收支路，L为限流电感，Co为储能电容，Lo用于限制Co对负
载氙灯的放电电流，保护氙灯。
图2主电路图
与文献1中介绍的激光电源不同，此处将限流电感L放在变压器原边。这除了能实现功率管的零电压开通外，例如在V1，V4关
断后，由于L的续流作用，D2，D3导通，则V2，V3可实现零电压开通;还可分担变压器原边绕组上的压降，减少变压器匝数，
进而减小变压器磁心。
图3为利用PSPICE软件对图2仿真的结果。图中上部为变压器原边绕组电流i1，下部为输出电压Uo。
图3仿真波形
仿真参数：开关频率f=20kHz，
死区时间t=2μs，
L=100μH，变压器变比N1：N2=24：60
C0=100μF。
4设计要点
电源系统中，电感L与高频变压器T的设计是关键。从图2看出，逆变电路的负载只有电感L及变压器T的原边，当功率管导
通，直流电压Ui加于图4所示位置时，电感上电压为Ui－UT1，则变压器原边电流i1=(Ui－UT1)t/L
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