摘 要： 介紹了一種半橋式激光電源的設計，并對其工作原理進行了論述。該激光器基于PWM控制芯片SG3525，采用恒頻脈寬調制控制方式，自動調整輸出功率得到穩定的電源輸出。對脈沖變壓器隔離驅動電路進行了詳細設計，并設計了過流保護電路以及虛假過流診斷電路。該電源結構簡單，運行穩定性好，有效降低了成本。
關鍵詞： 激光電源；SG3525；脈沖變壓器；過流保護
波長為9～11 μm的CO2激光器因其效率高、光束質量好、功率范圍大(幾瓦～幾萬瓦)、能連續輸出又能脈沖輸出、運行費用低等眾多優點成為氣體激光器中最重要的、用途最廣的一種激光器。它在材料加工、醫療、科學研究、檢測、國防等方面有廣泛應用。CO2激光器是一種混合氣體激光器。CO2為激光物質，其他氣體如He、N2、CO、Xe、H2O、H2、O2等都是輔助氣體。它們的作用都是為了增強激光輸出[1]。
激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響整個激光器裝置的效率。典型的PWM 變換器式高頻開關電源有單端激勵、推挽、半橋、全橋4種形式[2]。其中半橋具有結構簡單、開關管承受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等優點[3]，變壓器初級在整個周期中都流過電流，磁芯利用充分，且沒有偏磁的問題，所使用的功率開關管耐壓要求較低，開關管的飽和壓降減少到了最小，對輸入濾波電容使用電壓要求也較低[4]。因此，半橋拓撲是中小功率激光器電源常用的結構。
本文采用SG3525作為控制芯片，設計了使用脈沖變壓器隔離驅動IGBT的一種新式激光電源。在此電源中，脈沖變壓器工作于差分輸入方式。文章詳細給出了電源的工作原理、驅動保護電路的設計。實驗結果驗證了設計的有效性和電源的高可靠性。
1 電源系統
1.1 主電路拓撲及其控制方案
主電路如圖1所示。L1～L4、C1、C2構成網路濾波電路，R為熱敏電阻，限制系統上電和逆變啟動瞬間的浪涌電流。Q1、Q2為IGBT，與無感電容C3、C4構成逆變電路，Q1、Q2的導通時序如圖2。在T1～T2階段，Q1導通，電容C3經由Q1、T、Cg放電，同時對C4進行充電。T2～T3階段，為死區時間，Q1、Q2均截止。在T3～T4階段，Q2導通，工作原理與T1～T2階段相同，電流方向相反。T4～T5階段與T2～T3階段相同。這樣在一個開關周期內在高壓包初級端上形成15 kHz的交變方波。經過升壓整流后向激光管提供連續電壓，通過調節開關管的占空比，可改變高壓包次級輸出平均電壓。Q1、Q2的耐壓值應大于2×160 V，電流應大于3×Pout/160。本設計中要求激光器最大輸出功率為180 W，假設能量轉換效率為20%，則Pout=900 W，所以Q1、Q2電流應為16.875 A。考慮開關管的質量與變壓器輸入電壓的偏差，選取額定電流大于20 A，采用FGA25N120ANTD[5]。
為防止兩個開關管導通時間不對稱引起高壓包偏磁和直流磁飽和，在電路中串入隔直電容Cg來自動平衡變壓器一次電壓側的直流分量。
圖1中，對R1、R2取相同電阻值作為平衡電阻可使C1與C2充電電壓相等，同時構成CX的放電電路。RX1、CX1、RX2、CX2構成吸收電路，用來吸收高頻尖峰。H為霍爾電流傳感器，其輸出FK與主回路電流大小成正比例關系，本設計中選用CSK7-10A，額定電流為10 A，額定輸出為4 V。FK作為反饋信號連接至CA3140同相端。該傳感器不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，且具有較高的測量精度。
本設計中，驅動電路包括驅動與過流診斷處理兩部分。
1.2 控制電路
控制電路以SG3525+CA3140為核心，采用恒頻脈寬調制控制方式，輸出功率外部(WT)可調，且外部調節信號變化范圍為0～5 V，如圖3。
外部調節信號WT與霍爾電流傳感器反饋信號FK分別輸入運放CA3140同相與反相端，形成差分輸入。經CA3140放大后輸出至R11，結果為：
其中RZ1=R6//C13，RZ2=R7//C11。
SG3525的誤差放大器構成射極跟隨器，這樣使得反饋信號比較精確，能精確地控制占空比調節輸出電壓，提高了穩壓精度。SG3525芯片振蕩頻率的設定范圍為15 kHz～20 kHz，其振蕩頻率可表示為：
式中：CT、RT分別是與管腳5、管腳6相連的振蕩器的電容和電阻，Rd為放電端電阻值，與管腳7相連。CT、RT、Rd分別為圖中的C14、R12、R13，取值分別為3 300 pF、10 kΩ、1 kΩ，頻率為15.4 kHz。由于管腳5與管腳7之間放電電阻R12的存在，使得兩路輸出信號之間存在一定的死區時間，從而避免同一橋臂的IGBT出現直通的現象。死區時間由R12與C14共同決定，即：
管腳8接一個電容來實現軟啟動，該電容由內部5 V基準參考電壓的50 μA恒流源充電，使占空比由小到大(50％)變化， 減少了開機時對IGBT的沖擊。
通過外部信號調節可將激光器輸出調至所需功率，在調節過程中FK與WT構成差分輸入，隨著WT對脈沖寬度進行調節。當WT不再進行調節時，FK開始調節脈沖寬度。主電路中電流增大時，FK增大，由于WT不變，差分放大器的輸出電壓減小，使得SG3525輸出脈沖的寬度減小；當主電路電流減小時，FK減小，差分放大器輸出電壓增大，SG3525輸出脈沖寬度增大。如此可使激光器得到穩定功率輸出。
1.3 驅動及保護電路
驅動電路采用脈沖變壓器驅動隔離電路。SG3525的輸出經過推挽電路后，兩路相位相反的脈沖波加至脈沖變壓器原邊的兩端構成差分輸入，形成交變驅動，兩路隔離的輸出分別經二極管整流后驅動IGBT。驅動電路如圖4所示，其中，G1、E1和G2、E2分別接Q1柵極、發射極和Q2柵極、發射極。
當同名端脈沖電壓為正時，驅動信號G1為高電平，Q1導通，由三極管Q7構成的泄放電路截止；D19、D20截止，G2為低電平，Q2截止，同時Q8導通，可快速泄放Q2柵極電壓，加速Q2截止。當同名端脈沖電壓為負時，D14、D15截止，G1為低電平，Q1截止，同時Q7導通，可快速泄放Q1柵極電壓，加速Q1截止；驅動信號G2為高電平，Q2導通，由三極管Q8構成的泄放電路截止。
R31、R43用于抑制IGBT驅動脈沖的尖峰，R29//C23、R41//C27可以防止驅動脈沖產生振蕩。IGBT柵極電壓波形如圖5中波形2所示。
由圖中可看出，由于關斷時驅動信號電壓為負電壓，可使開關管迅速關斷，防止開關管誤導通，使電源更可靠地工作。
在激光器中采用了過流保護、虛假過流屏蔽、過熱保護等。過流保護即在驅動電路中A(G1)、B(E1)點之間加入如圖6所示過流保護電路[7]。IGBT正常導通時A點電壓為15 V，穩壓管DW1(選用C3V0)反向擊穿穩壓為3.0 V，DW2(選用C6V8)未擊穿，此時D點電壓低于E點電壓，光耦P521不導通，Q9截止，輸出信號為低電平。當負載短路等發生過流現象時，由于CE極間電壓Uce上升很多，使得D17反向截止，D點電位升高，當D點電位大于DW2反向擊穿電壓時，DW2將D點電位穩定在6.8 V，此時，光耦P521導通，電容C26通過R35充電，F點電位開始升高。若光耦持續導通時間大于C26充電時間，當C26的充電電壓達到擊穿穩壓管DW3的電壓，使三極管Q9飽和導通輸出高電平，觸發后接R-S觸發器鎖定過流指示信號，送至SG3525的10腳封鎖PWM脈沖信號和實現故障保護動作。若是虛假過流，在Q9飽和導通前光耦截止，不會觸發后接R-S觸發器，電路自動恢復到正常工作狀態。C26充電時間由R35、C26決定。
過熱保護通過在IGBT散熱片上安裝溫控開關與過流信號并聯接至SG3525的10腳。當過熱導致溫控開關斷開或者發生過流現象時，10腳電平變為高電平從而關閉PWM輸出。
上述激光器結構簡單，成本較低，驅動可靠，設備在滿負荷下能長期穩定運行，已成功用于激光切割技術。實踐證明，該電源配合激光管后功率可調，故障率低，能保證激光器長期穩定運行。
參考文獻
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