張興亮，郭立紅，張傳勝，孟范江

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春13OO33；2.中國科學(xué)院研究生院，北京1OOO39）

CO2激光器高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張興亮1，2，郭立紅1*，張傳勝1，孟范江1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春13OO33；2.中國科學(xué)院研究生院，北京1OOO39）

為了穩(wěn)定可靠地觸發(fā)CO2激光器旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)，設(shè)計(jì)了一套高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)并且提出了一種新型的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）驅(qū)動(dòng)與保護(hù)方法。根據(jù)CO2激光器中旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的觸發(fā)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）芯片EPM3512開發(fā)了可以輸出1OO～5OOHz重頻脈沖信號(hào)以及單次脈沖信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)源；應(yīng)用光耦HCPL-312O設(shè)計(jì)了具有過流、過壓保護(hù)功能兼有電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路；對(duì)高壓脈沖變壓器進(jìn)行建模并通過PSPICE軟件仿真；搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了聯(lián)機(jī)性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在5OOHz的重復(fù)頻率下，高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定地輸出高于38 kV的高壓重頻脈沖，基本滿足CO2激光器的旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)穩(wěn)定可靠觸發(fā)的要求。

CO2激光器；火花開關(guān)；絕緣柵雙極晶體管；脈沖變壓器

1 引 言

近年來，CO2激光器在工業(yè)加工、航天、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。CO2激光器屬于高壓電脈沖激勵(lì)型激光器，其主要工作過程是對(duì)高壓電容器組反復(fù)充放電，其中脈沖形成電路中的大功率開關(guān)是核心關(guān)鍵部件。大功率開關(guān)通常采用閘流管或火花開關(guān)，由于具有導(dǎo)通功率大、放電速度快的優(yōu)點(diǎn)，火花開關(guān)在大功率CO2激光器中得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。中科院長春光機(jī)所的大功率CO2激光器采用旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)作為放電開關(guān)，由高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。在高氣壓、高電壓下工作的旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)對(duì)高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的輸出脈沖提出了嚴(yán)格的要求。高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性直接影響旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性，繼而嚴(yán)重影響CO2激光器的穩(wěn)定性和可靠性。

旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)放電時(shí)電磁干擾非常強(qiáng)烈[7]，高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境條件非常惡劣，因此，電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)十分重要。

在大功率CO2激光器的工程研究中，激光器的工作氣壓、工作電壓不斷提高，從而對(duì)控制旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)提出了更高的要求。為了滿足大功率CO2激光器的工程研究的需要，本文設(shè)計(jì)了一套高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)。

2 高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)在CO2激光器中的作用如圖1所示，旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)主要由高壓電極、接地電極和旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)電極組成。當(dāng)脈沖CO2激光器工作時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓尖峰電壓施加到觸發(fā)電極，開關(guān)上下電極間隙中的氣體被迅速擊穿形成短路，繼而引發(fā)主放電電極放電[8]。圖1為CO2激光器主回路充放電回路。

圖1 CO2激光器主回路充放電回路Fig.1 Charge-discharge circuit ofmain circuit of CO2laser

其中：L1為主放電回路分布電感；L2為主儲(chǔ)能電容充電電感；L3為預(yù)電離電容充電電感；C1為主儲(chǔ)能電容；C2為預(yù)電離電容；C3為銳化電容；SG1為旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)；SG2為預(yù)電離火花間隙。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)工作在較高氣壓（O.O8～O.14 MPa）的要求，所需高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下：

脈沖電壓幅值：≥38 kV；

脈沖寬度：≤12Oμs；

重復(fù)頻率：1OO～5OOHz；單次。

高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)主要由電源、脈沖信號(hào)源、IGBT功率管驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路和高壓脈沖變壓器等部分組成。高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的組成Fig.2 Composition of high-voltage pulse trigger system

在圖2高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的組成中，脈沖信號(hào)源采用CPLD芯片EPM3512，可以輸出1OO～5OOHz的重頻脈沖信號(hào)和單次脈沖信號(hào)；IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路保證IGBT穩(wěn)定可靠的工作；高壓脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)升壓變換，獲得滿足要求的觸發(fā)脈沖；對(duì)比各個(gè)設(shè)計(jì)模塊，IGBT驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路和高壓脈沖變壓器是高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3 高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下要求：（1）能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖；（2）輸入輸出無延遲并具有電隔離能力；（3）IGBT處于過流狀態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路一般采用3種基本形式：直接驅(qū)動(dòng)電路；脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路；光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路。其中，光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路以其自身的優(yōu)越性能得到了廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路就是采用光耦驅(qū)動(dòng)的電路。

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路是基于惠普公司的晶體管驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-312O，它控制IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷，IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。本驅(qū)動(dòng)電路具有過流保護(hù)功能，當(dāng)IGBT集射極發(fā)生短路或電流過高時(shí)，發(fā)射極電壓升高，輸入運(yùn)放LM158J 3腳的電壓高于2腳，1腳輸出高電壓，光耦PS25O1導(dǎo)通，光耦PS25O1 4腳輸出低電平，則54LSO9輸出為低電平，IGBT關(guān)斷，從而IGBT得到了有效的保護(hù)。

圖3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 IGBT drive circuit

3.2 高壓脈沖變壓器設(shè)計(jì)

高壓脈沖變壓器是觸發(fā)電路系統(tǒng)中重要的元件，主要作用是通過磁耦合實(shí)現(xiàn)能量傳遞、電壓變換、初級(jí)和次級(jí)電氣隔離等[9-11]。旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)采用高電壓工作方式，要求高壓脈沖變壓器的輸出波形上升沿陡、脈寬窄、下降速度快、反沖小。3.2.1 高壓脈沖變壓器的匝數(shù)設(shè)計(jì)

高壓脈沖變壓器要求鐵芯材料具有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度增量和較低的剩磁，為此選用了鐵基非晶合金材料。鐵芯截面參數(shù)的選取需要綜合考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度的增量、漏感、勵(lì)磁電感、脈沖波形前沿和頂降等因素。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-13]，選取環(huán)形鐵芯，截面為3Ocm2。根據(jù)如下公式來確定初、次級(jí)匝數(shù)。

初級(jí)匝數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：N1為初級(jí)匝數(shù)；U1為峰值脈沖電壓（V）；td為脈寬（μs）；Sc為鐵芯的截面積（cm2）；ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度增量（T）。

脈沖觸發(fā)系統(tǒng)要求輸出脈沖寬度小于12Oμs，實(shí)際中按照脈寬為1OOμs進(jìn)行設(shè)計(jì)，代入數(shù)據(jù)得：

代入數(shù)據(jù)得：N2=15×8O=1 2OO；其中：n為變比，N2為次級(jí)匝數(shù)；U2為輸出峰值脈沖電壓（V）。

3.2.2 高壓脈沖變壓器的分布參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.2.1 高壓脈沖變壓器簡化模型確定

首先分析高壓脈沖變壓器的工作原理，從理論上確定脈沖波形與變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。高壓脈沖變壓器的等效電路圖如圖4所示[14]。

圖4 脈沖變壓器簡化等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of pulse transformer

其中：R1為脈沖源內(nèi)阻；Cp為初級(jí)回路分布電容；Ls為漏感；Lm為勵(lì)磁電感；C′s為次級(jí)換算到初級(jí)的分布電容；R′2為次級(jí)換算到初級(jí)的負(fù)載電阻。

3.2.2.2 分布參數(shù)設(shè)計(jì)

分布參數(shù)是脈沖變壓器能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)以往脈沖變壓器的輸出參數(shù)和文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)設(shè)計(jì)公式，可以計(jì)算出漏感Ls=34μH，初級(jí)回路電容Cp=3 619 pF，次級(jí)回路電容換算到初級(jí)電容值C′s=445 nF，變壓器勵(lì)磁電感Lm= 13.5 mH，將計(jì)算結(jié)果代入仿真模型，運(yùn)用PSPICE軟件仿真[15]，得到脈沖變壓器的設(shè)計(jì)輸出波形。脈沖變壓器仿真波形如圖5所示。

圖5 脈沖變壓器仿真波形Fig.5 Output waveforms of pulse transformer through simulation

3.3 高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)的電磁兼容及保護(hù)設(shè)計(jì)

3.3.1 電磁兼容設(shè)計(jì)

大功率CO2激光器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。在高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)中，適時(shí)地采用了隔離和接地等方法，并使用了濾波器、壓敏電阻、TVS等器件，且特殊制作了屏蔽罩，有效地抑制了電磁干擾。

3.3.2 IGBT保護(hù)電路

圖3顯示了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路具有過流保護(hù)功能。但當(dāng)旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)導(dǎo)通后，次級(jí)電路電流發(fā)生突變，反饋到脈沖變壓器初級(jí)的電流會(huì)突變，又由于脈沖變壓器初級(jí)電感的續(xù)流能力，IGBT集電極將產(chǎn)生很高的尖峰電壓和大電流，會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞。為此設(shè)計(jì)了IGBT的過壓保護(hù)電路，如圖6所示。RCD電路的工作原理為：當(dāng)旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)導(dǎo)通后，IGBT集電極會(huì)產(chǎn)生很高的電壓和很大的電流，使電容C2迅速導(dǎo)通，經(jīng)過快速恢復(fù)二極管D2把能量釋放到大地，從此IGBT得到了可靠的保護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

采用TEK TDS3O52B示波器和PVM-1高壓探頭對(duì)高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的性能測試。測試點(diǎn)選為高壓脈沖變壓器的輸出電壓和旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的觸發(fā)電極，得到如下測試波形（圖7～11）。

對(duì)比高壓脈沖變壓器的仿真波形（圖5）和實(shí)驗(yàn)波形（圖7）可知，高壓脈沖變壓器實(shí)際輸出的電壓波形與通過PSPICE軟件仿真設(shè)計(jì)得到的輸出波形基本一致。高壓脈沖變壓器實(shí)際輸出的電壓波形中的前沿尖峰電壓后的瞬間下降是由旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的觸發(fā)放電引起的，高壓脈沖變壓器實(shí)際輸出同樣有反擺。高壓脈沖變壓器的設(shè)計(jì)實(shí)踐表明：應(yīng)用PSPICE軟件仿真能夠理論指導(dǎo)和簡化高壓脈沖變壓器的具體設(shè)計(jì)，但是，實(shí)際制作高壓脈沖變壓器的工藝缺陷導(dǎo)致輸出波形的畸變同樣不可避免。

5OOHz重頻條件下，觸發(fā)電極兩端電壓波形如圖8所示。由圖9、圖1O和圖11可見，觸發(fā)系統(tǒng)在2OO、4OO、5OOHz等重頻條件下都能夠穩(wěn)定輸出大于38 kV的高壓。同時(shí)，由圖11右側(cè)“Ch1+寬度1O2μs”可以讀出觸發(fā)系統(tǒng)輸出脈寬為1O2μs，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，觸發(fā)系統(tǒng)能可靠地觸發(fā)旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)。

圖8 5OOHz時(shí)觸發(fā)電極電壓波形Fig.8 Outputwaveforms of trigger electrode at5OOHz

圖9 2OOHz重頻下觸發(fā)系統(tǒng)輸出波形Fig.9 Outputwaveforms of trigger system at2OOHz

圖10 4OOHz重頻下觸發(fā)系統(tǒng)輸出波形Fig.10 Outputwaveforms of trigger system at4OOHz

圖11 5OOHz時(shí)觸發(fā)電極電壓多周期波形Fig.11 Multi-period output waveforms of trigger electrode at5OOHz

5 結(jié) 論

本文根據(jù)旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)穩(wěn)定可靠觸發(fā)的要求，設(shè)計(jì)了一套高壓脈沖觸發(fā)系統(tǒng)，提出了一種IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)的方法，并介紹了旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的工作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在5OOHz重頻工作條件下，觸發(fā)系統(tǒng)輸出電壓大于38 kV，輸出脈寬小于12Oμs，能夠可靠觸發(fā)CO2激光器旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)，系統(tǒng)的性能和指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

[1] WITTEMANW J.The CO2Laser[M].Berlin：Springer-Verlag，1986.

[2] HASSON V.Review of design concepts and diagnostics for 1OO kW class repetitive pulsed CO2laser[J].SPIE，2OO3，512O：717-73O.

[3] 黃磊，朱海紅，程祖海，等.用于激光推進(jìn)的球隙火花開關(guān)放電特性的研究[J].激光推進(jìn)技術(shù)，2OO7，28（5）：561-565. HUANG L，ZHU H H，CHENG Z H，et al...Investigation of discharge characteristics of the high-voltage trigatron switch for laser propulsion[J].J.Propulsion Technology，2OO7，28（5）：561-565.（in Chinese）

[4] 賀臣.重復(fù)頻率長壽命氣體火花開關(guān)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2OO4. HE CH.Study on the repetition-rate long-lifetime gas spark switch[D].Wuhan：Hua zhong University of Science and Technology，2OO4.（in Chinese）

[5] 譚景國.高功率TEA CO2激光器脈沖激勵(lì)電源的研制[J].真空電子技術(shù)，2OO7（5）：63-65. TAN JG.Researches on pulse excitated power supplies for high output power TEA CO2laser[J].Vacuum Electronics，2OO7（5）：63-65.（in Chinese）

[6] 邱毅，李育德，馮國英.軸對(duì)稱折疊組合腔CO2激光器的實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2O11，9（6）：66-69. QIU Y，LIY D，F(xiàn)ENG G Y.Experimental research on the axisymmetric folded-combination CO2laser[J].Opt.&Optoelectronic Technology，2O11，9（6）：66-69.（in Chinese）

[7] 孟范江，郭立紅，楊貴龍，等.大功率TEA CO2激光器系統(tǒng)中電磁干擾的抑制[J].強(qiáng)激光與粒子束，2OO8，2O（2）：177-181. MENG F J，GUO LH，YANGG L，etal..Suppression of electromagnetic interference in high power TEA CO2laser system [J].High Power Laser and Particle Beams，2OO8，2O（2）：177-181.（in Chinese）

[8] 李世明，李殿軍，楊貴龍，等.大功率TEA CO2激光器旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)電極的燒蝕實(shí)驗(yàn)[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2OO9，2（3）：263-268. LISH M，LID J，YANG G L，et al..Erosion experiment of rotated spark switching system of high-power TEA CO2laser [J].Chinese J.Opt.Appl.Opt.，2OO9，2（3）：263-268.（in Chinese）

[9] KIM SC，NAM S H，KIM S H，et al..High power density，high frequency，and high voltage pulse transformer[J]. IEEE，2OO1，1：8O8-811.

[1O] FILCHEV T，CARASTRO F，WHEELER P，etal..High voltage high frequency power transformer for pulsed power application[J].J.Energy and Power Eng.，2O11（1O）：96O-965.

[11] 蔣云峰，梅建偉，曾凡煜，等.高壓高頻脈沖變壓器的研究[C]//2OO6中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)，陜西，西安，2OO6-O9-23-26.2OO6：1O4. JIANG Y F，MEIJW，ZENG FY，etal..Reasearch of high-voltage and high-frequency pulse transformer[C]//1Oth Annual Meeting of Power Electronics Society of CES，Xian，Shanxi，Sept23-26.2OO6：1O4.（in Chinese）

[12] 王瑞華.脈沖變壓器的設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1987. WANG R H.Design of Pulse Transformer[M].Beijing：Science Press，1987.（in Chinese）

[13] 管金云.變壓器鐵心最佳截面計(jì)算[J].變壓器，2OO1，38（7）：18-22. GUAN JY.Calculation of optimal cross section of transformer core[J].Transformer，2OO1，38（7）：18-22.（in Chinese）

[14] 變壓器制造技術(shù)叢書編審委員會(huì).電子變壓器手冊(cè)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999. Transformermanufacturing pipeline committee.Electronic Transformer Manual[M].Shenyang：Liaoning Science and Technology Publishing House，1999.（in Chinese）

[15] 周潤景，張麗娜，王志軍.PSPICE電子電路設(shè)計(jì)與分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2O11. ZHOU R J，ZHANG L N，WANG ZH J.Electronic Circuit Design and Analysis Using PSPICE[M].Beijing：Mechanical Industry Press，2O11.（in Chinese）

Design of high-voltage pulse trigger system for CO2laser

ZHANG Xing-liang1，2，GUO Li-hong1，ZHANG Chuan-sheng1，MENG Fan-jiang1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 13OO33，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 1OOO39，China）
*Corresponding author，E-mail：guolh@ciomp.ac.cn

To trigger the rotated spark switch in a CO2laser stably and reliably，a high-voltage pulse trigger system is designed and a new method for driving and protecting Insulated Gate Bipolar Transistor（IGBT）is proposed.According to the trigger structure of rotated spark switch in the CO2laser，a pulsed source which can output1OO-5OOHz repetition-rate pulses and a single pulse is developed with the EPM3512 CPLD chip and the IGBT drive circuit with over-current，over-voltage protection and Electromagnetic Compatibility（EMC）design is proposed by a optocoupler HCPL-312O.Besides，the model of a high-voltage pulse transformer is simulated by PSPICE software.Finally，an experimental platform is buit to test the system performance online.Experimental results indicate that the high-voltage pulse trigger system can output high-repetitionrate pulses higher than 38 kV continuously and stably，which satisfies the requirements of the rotated spark switch in the CO2laser for stability and reliability.

CO2laser；spark switch；Insulated Gate Bipolar Transistor（IGBT）；pulse transformer

TN248.2；TM89

A

1O.3788/CO.2O12O5O4.O416

張興亮（1986—），男，吉林長春人，碩士研究生，主要從事高壓充電電源及脈沖功率技術(shù)方面的研究。E-mail：zxliang1987@163.com

郭立紅（1964—），女，吉林舒蘭人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事激光對(duì)抗、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、天文慣導(dǎo)等方面的研究。E-mail：guolh@ciomp.ac.cn

1674-2915（2O12）O4-O416-O7

2O12-O2-16；

2O12-O4-15

激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目（No.SKLLIMO9O2-O1）