大功率TEACO激光器的脉冲激励电源

第２卷　第３期２００９年６月　　　　　　　中国光学与应用光学ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ　　　　Ｖｏｌ．２　Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ２００９　　收稿日期：２００９０３１１；修订日期：２００９０５１３文章编号　１６７４２９１５（２００９）０３０２４２０６大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的脉冲激励电源张传胜，李殿军，杨贵龙，邵春雷，耿玉民，谢冀江，李世明，郭汝海，李晓惕（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）摘要：为了提高大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的工作性能，选用大功率旋转火花开关作为功率开关器件，制作了一种由高压谐振充电电路、高抗干扰的开关触发器、大功率旋转火花开关以及倒空式ＬＣ反转电路等组成的脉冲激励电源。介绍了脉冲激励电源的设计方案，给出了电路工作原理，并对其在大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的实际工作进行了测试和评估。结果表明，所研制的脉冲激励电源可以满足大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的特殊工作要求，其重复工作频率可以在１００～４００Ｈｚ任意设定，输出工作电压可达４０～５０ｋＶ，电源平均功率＞２２０ｋＷ，电源峰值功率高达１０００ＭＷ。关　键　词：ＴＥＡＣＯ２激光器；脉冲激励电源；高压脉冲触发器；旋转火花开关中图分类号：ＴＮ２４８．２２　　文献标识码：ＡＰｕｌｓｅｄｅｘｃｉｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒＴＥＡＣＯ２ｌａｓｅｒＺＨＡＮＧＣｈｕａｎｓｈｅｎｇ，ＬＩＤｉａｎｊｕｎ，ＹＡＮＧＧｕｉｌｏｎｇ，ＳＨＡＯＣｈｕｎｌｅｉ，ＧＥＮＧＹｕｍｉｎ，ＸＩＥＪｉｊｉａｎｇ，ＬＩＳｈｉｍｉｎｇ，ＧＵＯＲｕｈａｉ，ＬＩＸｉａｏｔｉ（ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｗｏｒｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｈｉｇｈｐｏｗｅｒＴＥＡＣＯ２ｌａｓｅｒ，ａｈｉｇｈｐｏｗｅｒｒｏｔａｔｉｎｇｓｐａｒｋｓｗｉｔｃｈｉｓｃｈｏｓｅｎａｓａｄｅｖｉｃｅｆｏｒｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅａｐｕｌｓｅｄｅｘｃｉｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｒｅｓｏｎａｎｔｃｈａｒｇｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ａｈｉｇｈａｎｔｉｊａｍｍｉｎｇｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｒｉｇｇｅｒ，ａｒｏｔａｔｉｎｇｓｐａｒｋｓｗｉｔｃｈａｎｄａｄｒａｗｏｕｔＬＣｒｅｖｅｒｓｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｓｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｄｅｘｃｉｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｌａｙｏｕｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｔｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒＴＥＡＣＯ２ｌａｓｅｒ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓｐｕｌｓｅｄｅｘｃｉｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｏｕｒｌａｂｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒＴＥＡＣＯ２ｌａｓｅｒ，ｆｏｒｉｔｃａｎｏｆｆｅｒｔｈｅｏｕｔｐｕｔｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｕｐｔｏ４０５０ｋＶ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｌａｒｇｅｒｔｈａｎ２２０ｋＷａｎｄｔｈｅｐｅａｋｐｏｗｅｒａｓｈｉｇｈａｓ１０００ＭＷ，ａｌｓｏｆｏｒｉｔｓｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔｅｄａｒｂｉｔｒａｒｉｌｙａｔｔｈｅｒａｎｇｅｓｏｆ１００４００Ｈｚ，Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＥＡＣＯ２ｌａｓｅｒ；ｐｕｌｓｅｄｅｘｃｉｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｔｒｉｇｇｅｒ；ｒｏｔａｔｉｎｇｓｐａｒｋｓｗｉｔｃｈ１　引　言　　大功率ＴＥＡＣＯ２激光器应用技术已经渗透到科学领域里的诸多学科，在国防军事、科学研究和工业加工等方面均获得广泛的应用，并取得了实质性的进展。提高大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的输出功率、电光转换效率及长期运行的稳定可靠性是大功率ＴＥＡＣＯ２激光器发展的核心内容。脉冲激励电源在ＴＥＡＣＯ２激光器中是极其关键的单元，其性能和指标决定着激光器的技术水平，是大功率ＴＥＡＣＯ２激光器发展的一个重要标志。大功率ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源的特点是具有较大的电源平均功率，能够提供极高的脉冲激发功率，放电时间短于放电不稳定过程的发展时间，能够提供较高的脉冲峰值电压，能够以稳定的重复频率工作，和可实现ＴＥＡＣＯ２激光器中主电极之间的大体积均匀辉光放电［１～８］。本文研制了一种满足大功率ＴＥＡＣＯ２激光器特殊工作要求的脉冲激励电源系统，其输出工作电压可达４０～５０ｋＶ，电源平均功率＞２２０ｋＷ，电源峰值功率达１０００ｍＷ。２　设计方案的确定　　以往ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源通常采用氢闸流管作为功率型开关器件。氢闸流管有着良好的电性能，由于管内充入了氢气，所以氢闸流管的去游离时间较短，工作频率可达几百到几千赫兹，而且氢闸流管在导通时电压降不大、阳极损耗较小、工作寿命较长，可达１０９次开关工作。氢闸流管的缺点是脉冲激发功率较小、造价较高、配套电路比较复杂。在小功率ＴＥＡＣＯ２激光器方面，氢闸流管具有得天独厚的优势。与氢闸流管开关相比，旋转火花开关具有功率大、脉冲激发功率较高、可以耐受较强的短路冲击的特点，更适合在高电压、大电流、窄脉冲的重复频率下工作，而且不用提供预热时间且便于车载运输，应用造价较低。本课题组对大功率ＴＥＡＣＯ２激光器进行了多年的实践研究，独创了适用于大功率ＴＥＡＣＯ２激光器，并获得了旋转火花开关的发明专利授权。大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的实际工作已经验证：旋转火花开关已经达到１０７次的工作寿命，其中的定期维护部件－电极便于更换、维护简单，可以弥补其工作寿命较短的不足。在大功率ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源的具体应用上，旋转火花开关相对于氢闸流管具有独特的优势。大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的脉冲激励电源选用旋转火花开关作为功率型开关器件，其脉冲放电行为由开关触发器和旋转火花开关进行控制。线路结构形式采用能适应高重复频率运转的倒空式ＬＣ反转电路来实现激光器主电极之间的大体积均匀辉光放电。３　脉冲激励电源的电路设计　　大功率ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源主要由高压直流电源和谐振充电电感组成的高压充电电路、高抗干扰的开关触发器、大功率旋转火花开关以及倒空式ＬＣ反转电路等组成。３．１　高压充电电路由高压直流电源和谐振充电电感组成的高压充电电路由采用Δ／Ｙ接法的三相升压变压器、三相桥式整流器、高压滤波电容、谐振充电电感、分压电阻Ｒ１、Ｒ２、和高压隔离硅堆Ｄ７、Ｄ８组成。为方便激光器调试，在三相升压变压器初级侧设置了三级电压档位手动切换开关。高压充电电路原图１　高压充电电路原理图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒｇｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ３４２第３期　　　　张传胜，等：大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的脉冲激励电源理如图１所示。高压充电电路的ＨＶ输出提供给与大功率旋转火花开关的高压电极相并联的倒空式ＬＣ反转电路的输入端；高压充电电路的５０％ＨＶ由分压电阻Ｒ１、Ｒ２提供约５０％的高压输出值，输出到大功率旋转火花开关的旋转电极中压输入端。３．２　高抗干扰开关触发器开关触发器采用特定的控制信号，输出适合大功率旋转火花开关工作的驱动信号，激励大功率旋转火花开关按照预定的１００～４００Ｈｚ中的某一重复频率导通工作，进而控制大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的工作方式。开关触发器由触发信号源、信号处理单元、功率放大单元、高压脉冲变压器等组成，其原理如图２所示。图２　开关触发器的原理框图Ｆｉｇ．２　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｒｉｇｇｅｒ触发信号源可以产生１００～４００Ｈｚ内任意设定的重复脉冲。信号处理单元接受触发信号源的控制信号，经过电压放大、脉冲形成等一系列信号处理后，得到幅值、相邻脉冲时间间隔基本一致的重复脉冲串，输出到功率放大单元。三相交流电源通过三相隔离变压器、整流电路、滤波电路后，为功率放大单元提供直流电压源，通过设置变压器绕组中间抽头实现直流电源电压的调整。功率放大单元的输出用来驱动高压脉冲变压器的方波驱动信号。高压脉冲变压器初级设置５个电压抽头，用以调整高压脉冲变压器的不同输出要求，其输出幅值电压约为３０ｋＶ的高压尖峰脉冲。开关触发器在大功率ＴＥＡＣＯ２激光器及其附属设备的环境中工作，控制大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的工作方式，开关触发器的电磁兼容设计尤为重要。３．３　旋转火花开关大功率旋转火花开关采用三电极、双间隙结构，能够耐受高电压、抗击强大脉冲电流的烧蚀，不怕短路。大功率旋转火花开关的组成结构如图３所示。图３　大功率旋转火花开关的组成结构Ｆｉｇ．３　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｒｏｔａｔｉｎｇｓｐａｒｋｓｗｉｔｃｈ旋转火花开关通过４根绝缘拉杆固定在储能放电腔的盖板上，松脱４根绝缘拉杆的螺母，即可卸下旋转火花开关进行维护保养。旋转火花开关的定期维护部件是固定电极对，即图３中的Ｕｐｐｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ和Ｌｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，两块电极都是通过螺栓固定在旋转火花开关的电极座上，非常便于更换维修。旋转火花开关的旋转工作是由伺服电机通过磁耦合方式来实现旋转拖动的，伺服电机功率为１ｋＷ，转速为１４００ｒ／ｍｉｎ。大功率旋转火花开关除了对自身电压绝缘强度、电极材料、电极形貌、导通电流、气体循环流速、气体循环绝缘介质等有要求外，还对触发工作脉冲提出了很高的要求。准确适时地导通、关断可以降低旋转火花开关对其它辅助设备的要求。３．４　倒空式ＬＣ反转电路为了获得几百纳秒宽度的高压脉冲，系统通４４２　　　　　中国光学与应用光学　　　　　第２卷　常采用Ｍａｘ发生器、倒空式锐化高压脉冲发生电路、ＬＣ谐振电路和脉冲变压器等，这些电路各有特点。在大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的脉冲激励电源中，采用倒空式ＬＣ反转电路的结构形式，来取得较窄的、重复频率工作的激励脉冲。倒空式ＬＣ反转电路如图４所示。图４　倒空式ＬＣ反转电路Ｆｉｇ．４　ＤｒａｗｏｕｔＬＣｉｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ在图４倒空式ＬＣ反转电路中，高压充电电路的ＨＶ输出接至旋转火花开关的高压侧电极；高压充电电路的５０％ＨＶ与开关触发器输出的触发脉冲迭加后接至旋转火花开关的旋转电极中压输入端。其中：ＬＯ为限流电抗器；Ｌ１为均衡电抗器；Ｌ２、Ｌ３为充电电感；Ｃ１为主储能电容；Ｃ２为预电离电容；Ｃ３为锐化电容。在倒空式ＬＣ反转电路中，高压充电电路的ＨＶ输出通过充电电感Ｌ２、Ｌ３分别为主储能电容Ｃ１和预电离电容Ｃ２充电。当开关触发器的触发脉冲激励旋转火花开关导通工作后，倒空式ＬＣ反转电路在大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的主放电电极和预电离针间隙分别形成按一定时序工作的放电脉冲。倒空式ＬＣ反转电路的具体参数决定大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的主放电电极和预电离针间隙的放电脉冲特性，直接决定大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的电光转换效率。倒空式ＬＣ反转电路是大功率ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源的关键组成部分。合理布局倒空式ＬＣ反转电路的线路结构可确保良好的高压脉冲特性。４　脉冲激励电源的性能测试　　本实验在大功率ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源组合装调完成后，配合ＴＥＡＣＯ２激光器的储能放电腔及其附属设备进行了大功率ＴＥＡＣＯ２激光器的整机联调工作。对脉冲激励电源进行了性能测试，并利用相关的测试仪器记录了脉冲激励电源的输出波形。大功率ＴＥＡＣＯ２激光器脉冲激励电源的性能参数测试如下：输出工作电压：４０～５０ｋＶ；重复