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        納秒級高功率準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動系統(tǒng)研制?

        2021-07-16 14:05:00溫立彬蔡立民何永春
        電子器件 2021年3期
        關(guān)鍵詞:勵磁電準(zhǔn)分子激光器

        溫立彬,蔡立民,吳 濤,何永春

        (國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司,內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

        準(zhǔn)分子激光器由于具備三高特性(高單色性,高功率以及高穩(wěn)定性)特點,其輸出譜段恰好能覆蓋紫外光譜區(qū),使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)[1]、醫(yī)療[2]和科研[3]等領(lǐng)域。其驅(qū)動方式一般采用閘流管釋放高壓儲能電容器中的能量來產(chǎn)生快放電激勵。但是,準(zhǔn)分子激光器重復(fù)頻率達數(shù)千Hz,閘流管的約109次脈沖放電壽命顯得有限,加之閘流管的殘余振蕩等缺點使上述快放電方式不能適應(yīng)高重復(fù)頻率應(yīng)用的需求。

        20 世紀(jì)90 年代Gontad F 等[4]首次提出用磁脈沖壓縮技術(shù)來產(chǎn)生大功率脈沖,隨后國外對磁開關(guān)應(yīng)用進行了廣泛的研究。國內(nèi)對磁開關(guān)研究主要集中在高壓除塵設(shè)備、加速器系統(tǒng)和延長激光器快放電中的閘流管壽命[5]。在準(zhǔn)分子激光技術(shù)中,利用功率半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)合磁脈沖壓縮開關(guān)的方法產(chǎn)生高壓快脈沖來替代閘流管,能避免基于閘流管器件的缺點[6]。雖然半導(dǎo)體開關(guān)的壽命比閘流管高3 個數(shù)量級以上,但是在長期高重復(fù)頻率條件下性能也存在明顯下降。而且,磁開關(guān)回路放電產(chǎn)生殘余能量振蕩,使準(zhǔn)分子激光器壽命收到影響[7]。

        綜上,研制一種納秒級、高功率準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動系統(tǒng)是十分必要的。利用本文所研制激光器驅(qū)動系統(tǒng)對波長為193 nm 的準(zhǔn)分子激光器進行驅(qū)動實驗,發(fā)光正常,證明該驅(qū)動系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性。

        1 驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

        驅(qū)動系統(tǒng)采用反激電路[8]級聯(lián)雙向半橋驅(qū)動電路[9]的雙級設(shè)計,電路總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 電路總體結(jié)構(gòu)

        DC/DC 升壓階段采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法控制,由于負(fù)載很輕,電路工作在電感電流斷續(xù)模式(DCM)下,可以獲得很大的升壓比。驅(qū)動階段能夠在一定的頻率范圍內(nèi),產(chǎn)生任意單極驅(qū)動信號,并且能夠從準(zhǔn)分子激光器中回收未使用的電能,提升了系統(tǒng)能效。與其他直流交流轉(zhuǎn)換器相比,半橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度。經(jīng)過簡單的控制策略,該拓?fù)淠軌蜉敵鰞蓚€驅(qū)動信號,可同時驅(qū)動兩支準(zhǔn)分子激光器。

        1.1 DC/DC 升壓階段電路

        DC/DC 升壓階段電路是一個反激變換電路,其工作在電感電流斷續(xù)模式(DCM),相對于電感電流連續(xù)模式(CCM),具備更高的能量轉(zhuǎn)換效率和更大的升壓率等優(yōu)點。

        反激變換電路在一個工作周期里的電壓電流波形如圖2 所示。

        圖2 反激變換電路的電壓電流波形(DCM 模式)

        當(dāng)開關(guān)管Q 導(dǎo)通時(vds=0),整流二極D 反向偏置(id=0),輸出負(fù)載電流由輸出負(fù)載電容提供。變壓器等效于一個純電感,電感電流(im)從零開始線性增加,在t1時刻達到峰值ILP。

        當(dāng)Q 關(guān)斷時,根據(jù)楞次定律,所有的繞組電壓在反激的作用下反向,這使輸出整流二極管D 變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài),初級側(cè)儲存的能量被傳遞到次級側(cè)提供輸出電流并且對輸出電容C充電。其中,Lm為變壓器等效勵磁電感。此時(t1時刻),+Vin,電流id從峰值IDP線性下降。其中,Vc為電容C兩端電壓,Vin為輸入電壓,n為變壓器的匝數(shù)比。在t2時刻,id降到0,vds=Vin。vds電壓持續(xù)保持到t3時刻。

        根據(jù)楞次定律,得出DCM 模式下的電壓增益:

        式中:D為Q 的導(dǎo)通占空比,R為等效負(fù)載阻抗,包括后級半橋驅(qū)動電路和準(zhǔn)分子激光器等效負(fù)載。Lm為變壓器磁化電感,fs為開關(guān)頻率。

        1.2 DC/AC 半橋驅(qū)動電路

        半橋驅(qū)動電路將前級的高壓直流信號轉(zhuǎn)換成高頻高壓信號用來驅(qū)動準(zhǔn)分子激光器。利用由一個高品質(zhì)因數(shù)的電感和兩個準(zhǔn)分子激光器的固有電容組成的半橋逆變電路可以產(chǎn)生任意單極驅(qū)動信號。圖3 展示了半橋驅(qū)動電路的六種工作模式。

        圖3 半橋驅(qū)動電路的工作模式

        在模式(a)中,開關(guān)QH一旦導(dǎo)通,電感電流iL上升,準(zhǔn)分子激光器等效電容C1開始將未使用的能量向低邊準(zhǔn)分子激光器傳遞或被電源級回收。若考慮電路中的等效串聯(lián)電阻,根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)可得:

        開關(guān)QH一旦關(guān)斷,模式(a)結(jié)束,電感電流iL經(jīng)由二極管DL續(xù)流開始減小。電感和準(zhǔn)分子激光器等效電容C2之間開始新的振蕩,電路開始分別工作在模式(b)和模式(e)。由基爾霍夫電壓定律得:

        式中:Vc2(ta)=Vc代表在時間ta即模式(a)結(jié)束時的電壓初始狀態(tài)。在前半個周期的剩余時間里,驅(qū)動電壓信號繼續(xù)保持振蕩直到穩(wěn)定到Vc。

        在模式(c),低邊準(zhǔn)分子激光器已經(jīng)完全充滿電,而高邊準(zhǔn)分子激光器等效電容C1完全放電,電壓為零。驅(qū)動信號與Vc相同,所有未使用的能量都從高邊傳遞到低邊或被系統(tǒng)回收,從而可以提升系統(tǒng)的能效。

        當(dāng)開關(guān)管QL導(dǎo)通,模式(d)開始。同理,低邊準(zhǔn)分子激光器未使用的能量開始向高邊準(zhǔn)分子激光器傳遞,由于低邊準(zhǔn)分子激光器等效電容C2的放電,電感電流iL開始反向增加,同理計算Vc2得:

        當(dāng)電壓Vc2在第一個周期里減小到零時,模式(d)結(jié)束。與模式(b)類似,QL關(guān)閉后,電感電流經(jīng)過二極管DH續(xù)流,電路分別工作在模式(e)和模式(b)。模式(e)中電容初始電壓為零,可以計算得:式中:Vc2(td)=0 代表初始電壓。電感L釋放能量對高邊準(zhǔn)分子激光器等效電容C1充電。振蕩結(jié)束后,隨著電感電流降到零,驅(qū)動信號電壓穩(wěn)定在零,直到下一周期開始。

        模式(f)與模式(e)類似,當(dāng)?shù)瓦厹?zhǔn)分子激光器等效電容C2的能量全部轉(zhuǎn)移至高邊準(zhǔn)分子激光器等效電容C1,其被充電至電源電壓Vc。

        圖4 列出了在一個完整的工作周期內(nèi)的開關(guān)脈沖波形(QH和QL)、電感電流iL和輸出電壓Vc2,電路在工作穩(wěn)態(tài)時,在一個完整周期內(nèi)的工作順序為a-b-e-b-c-d-e-b-e-f。模式(a)和模式(d)分別是兩個半周期的開始,模式(b)和模式(e)分別是半周期的振蕩,模式(c)和模式(f)分別是半周期的電壓穩(wěn)定階段。

        圖4 在一個工作周期內(nèi)的波形

        通過向QH和QL發(fā)出一系列的控制信號,可以在Vc2產(chǎn)生任意驅(qū)動信號波形。與以往驅(qū)動方式不同,這種拓?fù)涿總€開關(guān)周期只傳遞少量的能量,從而可以使用尺寸較小的電感。

        2 驅(qū)動電路的優(yōu)化和仿真

        為了實現(xiàn)驅(qū)動電路的優(yōu)化,開發(fā)了一系列的MATLAB 腳本作為期望工作區(qū)域內(nèi)電路設(shè)計的參數(shù),通過這種方法對電路損耗進行了建模。通過對各項參數(shù)的分析,以提升電路性能。

        2.1 DC/DC 升壓階段電路優(yōu)化

        對反激變換電路的效率而言,開關(guān)頻率fs和變壓器勵磁電感Lm是兩個關(guān)鍵的參數(shù)[10]。通過改變開關(guān)頻率fs和勵磁電感Lm,測量反激變換電路的效率。采用6 種不同規(guī)格的耦合電感的模型腳本進行優(yōu)化實驗,開關(guān)頻率從40 kHz 到200 kHz 變化,步長為20 kHz。在不同的驅(qū)動電壓和不同的負(fù)載下,同樣進行了效率仿真,滿載為0.5 kW。

        圖5 描述了在60%負(fù)載和600 V 驅(qū)動電壓的條件下,反激變換電路效率隨不同的變壓器勵磁電感Lm和開關(guān)頻率fs變化的趨勢。

        圖5 反激轉(zhuǎn)換效率與開關(guān)頻率和勵磁電感的關(guān)系

        在恒定的開關(guān)頻率下,勵磁電感越大,轉(zhuǎn)換效率越高。在DCM 的工作狀態(tài)下,使用較大的勵磁電感可以減小電流波動,從而降低磁滯損耗和渦流損耗。在恒定耦合電感的情況下,開關(guān)頻率對開關(guān)損耗和鐵損影響很大。當(dāng)電路在開關(guān)頻率小于80 kHz 的條件下工作時,大電流波動引起的高磁化力使得鐵損占主導(dǎo)。開關(guān)頻率越高,電流擺動越小,從而降低鐵損,提高效率。當(dāng)工作頻率大于80 kHz 時,功率MOSFET 的開關(guān)損耗占主導(dǎo)。

        由圖5 可知,效率仿真中,在60%負(fù)載、600 V驅(qū)動電壓、100 kHz 的開關(guān)頻率和60 mH 勵磁電感的條件下,電路最大效率為81.8%。但在實際中勵磁電感的選擇需要根據(jù)反激變換器的工作模式進行綜合選擇,當(dāng)負(fù)載比較輕時,電路要想工作在DCM,獲得高升壓比,應(yīng)該盡量選擇小勵磁電感的反激變壓器,所以勵磁電感選擇需要綜合考慮各種因素。

        圖6 給出了當(dāng)開關(guān)頻率為100 kHz、勵磁電感為60 mH 時,轉(zhuǎn)換效率隨輸出功率和驅(qū)動電壓變化的規(guī)律。效率是在輸出功率范圍為0.1 kW~0.5 kW 和驅(qū)動電壓范圍為400 V~1 600 V 的條件下測量的。

        圖6 反激轉(zhuǎn)換效率與驅(qū)動電壓和輸出功率的關(guān)系

        在低輸出功率時,功率MOSFET 的寄生損耗占主導(dǎo)。然而,當(dāng)輸出功率增加到到某一特定值時,功率MOSFET 的導(dǎo)通損耗以及變壓器的銅損開始占主導(dǎo)。在恒定負(fù)載條件下,低驅(qū)動電壓時,由于電流較大,導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)地位。在較高的驅(qū)動電壓下,相應(yīng)于較小的電流,導(dǎo)通損耗將減小,從而提高效率。當(dāng)驅(qū)動電壓超過某一值時,由于大占空比引起的大電流波動,鐵損耗成為主導(dǎo)。當(dāng)驅(qū)動電壓增大時,鐵損耗隨電流波動的增大而增大,從而降低效率。

        在開關(guān)頻率100 kHz、勵磁電感為60 mH 的工作條件下,最大效率出現(xiàn)在0.3 kW 輸出功率和900 V 驅(qū)動電壓附近。分析表明,在此條件下,最大效率可達到81.8%,變壓器效率為91.8%,遲滯損耗、渦流損耗和導(dǎo)通損耗占總損耗的48%。

        2.2 DC/AC 半橋驅(qū)動電路優(yōu)化

        在半橋驅(qū)動電路中,選擇一個高品質(zhì)因數(shù)的無源電感,有利于傳導(dǎo)損耗的降低。為了獲得快速的響應(yīng)速度和驅(qū)動速度,實驗中準(zhǔn)分子激光器采用脈沖信號作為驅(qū)動信號。與其他類型的電壓驅(qū)動信號相比,脈沖驅(qū)動信號在降低傳導(dǎo)損耗和簡化控制策略方面也具有優(yōu)勢。優(yōu)化過程中,我們選用L=15 μH 的電感,諧振周期可以計算得:

        式中:C1=C2=47 pF 是準(zhǔn)分子激光器的最大寄生電容。實際的準(zhǔn)分子激光器具有變化的寄生電容,在優(yōu)化的過程中,我們采用最壞情況的諧振條件,即諧振周期大約為0.6 ns,滿足驅(qū)動準(zhǔn)分子激光器需求。與驅(qū)動脈沖持續(xù)時間相比,諧振時間要短的多,兩個準(zhǔn)分子激光器之間的電荷恢復(fù)發(fā)生在諧振期間,在開關(guān)周期的剩余時間,電能則被轉(zhuǎn)化成光能。仿真結(jié)果如圖7 所示,表明了在理想的工作條件下,效率大約在70%~80%之間。

        圖7 半橋轉(zhuǎn)換效率與驅(qū)動電壓和輸出功率的關(guān)系

        3 準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動性能測試

        準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動系統(tǒng)實物圖如圖8 所示。

        圖8 準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動系統(tǒng)

        其可以產(chǎn)生的數(shù)字控制驅(qū)動電壓的指標(biāo)參數(shù)為:最窄驅(qū)動脈沖寬度為15 ns,峰值驅(qū)動電壓為1 000 V,脈沖上升/下降時間約為5 ns,峰值能量轉(zhuǎn)換效率為68.5%。

        3.1 最窄驅(qū)動脈沖測試

        利用本文所研制激光器驅(qū)動系統(tǒng)對波長為193 nm 的準(zhǔn)分子激光器進行驅(qū)動測試,結(jié)果如圖9 所示。

        圖9 驅(qū)動脈沖波形圖

        如圖9 所示,驅(qū)動脈沖寬度為15 ns,驅(qū)動電壓為1 000 V。定義驅(qū)動脈沖寬度為半峰全寬。

        3.2 驅(qū)動穩(wěn)定性能測試

        利用上述準(zhǔn)分子激光器對驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性能進行測試。驅(qū)動電壓設(shè)定值為1 000 V,脈沖寬度為15 ns,得到驅(qū)動脈沖真實值、脈寬持續(xù)時間以及上升/下降時間測試結(jié)果如圖10 所示。

        如圖10(a)所示,10 次驅(qū)動電流平均值為1 000.03 V,與平均值相比最大偏差值為1 000.07 V,因此驅(qū)動電壓穩(wěn)定性優(yōu)于4.0×10-5。如圖10(b)所示,10 次脈沖持續(xù)時間平均值為4.775 ns,與平均值相比最大偏差值為4.785 ns,因此脈沖持續(xù)時間穩(wěn)定度優(yōu)于2.0×10-3。如圖10(c)所示,10 次上升/下降沿時間平均值為5.737 ns,與平均值相比最大偏差值為5.742 ns,因此上升/下降沿時間穩(wěn)定度優(yōu)于1.0×10-3。

        圖10 驅(qū)動穩(wěn)定性能測試結(jié)果

        3.3 準(zhǔn)分子激光器發(fā)光測試

        利用本文所研制激光器驅(qū)動系統(tǒng)對波長為193 nm的準(zhǔn)分子激光器進行發(fā)光測試,結(jié)果如圖11 所示。

        圖11 193 nm 準(zhǔn)分子激光器發(fā)光光譜

        測試中,采用THERMO4700 型傅里葉紅外光譜儀掃描其發(fā)光光譜,準(zhǔn)分子激光器發(fā)光光譜中心波長為193 nm,且無其他雜散峰。

        3.4 驅(qū)動效率性能測試

        驅(qū)動電路的能效可以簡單地表示為[11]:

        式中:Pload為負(fù)載的平均功率,Pin為平均輸入功率。圖12 顯示了驅(qū)動系統(tǒng)在不同負(fù)載和不同輸出信號頻率情況下的效率。

        圖12 不同頻率下效率與負(fù)載的關(guān)系曲線

        測量的負(fù)載范圍從10%到100%,間隔為10%,三種驅(qū)動頻率分別為5Hz、10 Hz 和15 Hz。由圖可知,在60%負(fù)載,5 Hz 驅(qū)動頻率下,峰值效率為68.5%。

        4 結(jié)論

        針對傳統(tǒng)磁脈沖壓縮技術(shù)產(chǎn)生的大功率脈沖驅(qū)動準(zhǔn)分子激光器存在驅(qū)動脈沖電壓幅度控制精度低、能量轉(zhuǎn)換效率低的問題,本文采用反激升壓電路與雙向半橋驅(qū)動電路級聯(lián)構(gòu)成雙級驅(qū)動電路,研制了一種納秒級、高功率準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動系統(tǒng)。同時,仿真并分析了反激升壓電路的勵磁電感、開關(guān)頻率、輸出功率和驅(qū)動電壓等工作條件對系統(tǒng)損耗的影響,并獲得優(yōu)化結(jié)果。實驗表明,最窄驅(qū)動脈沖寬度為15 ns,峰值驅(qū)動電壓為1000 V,脈沖上升/下降時間約為5 ns,峰值能量轉(zhuǎn)換效率為68.5%,該驅(qū)動系統(tǒng)在實際應(yīng)用中可行。

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