溫立彬，蔡立民，吳 濤，何永春

(國(guó)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(diǎn)，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(dòng)方式一般采用閘流管釋放高壓儲(chǔ)能電容器中的能量來(lái)產(chǎn)生快放電激勵(lì)。但是，準(zhǔn)分子激光器重復(fù)頻率達(dá)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(diǎn)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(lái)產(chǎn)生大功率脈沖，隨后國(guó)外對(duì)磁開(kāi)關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)磁開(kāi)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)結(jié)合磁脈沖壓縮開(kāi)關(guān)的方法產(chǎn)生高壓快脈沖來(lái)替代閘流管，能避免基于閘流管器件的缺點(diǎn)[6]。雖然半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的壽命比閘流管高3 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但是在長(zhǎng)期高重復(fù)頻率條件下性能也存在明顯下降。而且，磁開(kāi)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(jí)、高功率準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是十分必要的。利用本文所研制激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)為193 nm 的準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)光正常，證明該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用反激電路[8]級(jí)聯(lián)雙向半橋驅(qū)動(dòng)電路[9]的雙級(jí)設(shè)計(jì)，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(dòng)階段能夠在一定的頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)生任意單極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dòng)結(jié)構(gòu)具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的控制策略，該拓?fù)淠軌蜉敵鰞蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(gè)反激變換電路，其工作在電感電流斷續(xù)模式(DCM)，相對(duì)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(diǎn)。

反激變換電路在一個(gè)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(kāi)關(guān)管Q 導(dǎo)通時(shí)(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(gè)純電感，電感電流(im)從零開(kāi)始線性增加，在t1時(shí)刻達(dá)到峰值ILP。

當(dāng)Q 關(guān)斷時(shí)，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(jí)側(cè)儲(chǔ)存的能量被傳遞到次級(jí)側(cè)提供輸出電流并且對(duì)輸出電容C充電。其中，Lm為變壓器等效勵(lì)磁電感。此時(shí)(t1時(shí)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(shí)刻，id降到0，vds＝Vin。vds電壓持續(xù)保持到t3時(shí)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(jí)半橋驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率。

1.2 DC/AC 半橋驅(qū)動(dòng)電路

半橋驅(qū)動(dòng)電路將前級(jí)的高壓直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻高壓信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)分子激光器。利用由一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的電感和兩個(gè)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(dòng)信號(hào)。圖3 展示了半橋驅(qū)動(dòng)電路的六種工作模式。

圖3 半橋驅(qū)動(dòng)電路的工作模式

在模式(a)中，開(kāi)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(kāi)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(jí)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(kāi)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(kāi)始減小。電感和準(zhǔn)分子激光器等效電容C2之間開(kāi)始新的振蕩，電路開(kāi)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(shí)間ta即模式(a)結(jié)束時(shí)的電壓初始狀態(tài)。在前半個(gè)周期的剩余時(shí)間里，驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)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(dòng)信號(hào)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(kāi)關(guān)管QL導(dǎo)通，模式(d)開(kāi)始。同理，低邊準(zhǔn)分子激光器未使用的能量開(kāi)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(kāi)始反向增加，同理計(jì)算Vc2得:

當(dāng)電壓Vc2在第一個(gè)周期里減小到零時(shí)，模式(d)結(jié)束。與模式(b)類似，QL關(guān)閉后，電感電流經(jīng)過(guò)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(jì)算得:式中:Vc2(td)＝0 代表初始電壓。電感L釋放能量對(duì)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(dòng)信號(hào)電壓穩(wěn)定在零，直到下一周期開(kāi)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(gè)完整的工作周期內(nèi)的開(kāi)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(shí)，在一個(gè)完整周期內(nèi)的工作順序?yàn)閍－b－e－b－c－d－e－b－e－f。模式(a)和模式(d)分別是兩個(gè)半周期的開(kāi)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(gè)工作周期內(nèi)的波形

通過(guò)向QH和QL發(fā)出一系列的控制信號(hào)，可以在Vc2產(chǎn)生任意驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。與以往驅(qū)動(dòng)方式不同，這種拓?fù)涿總€(gè)開(kāi)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(dòng)電路的優(yōu)化和仿真

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化，開(kāi)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(jì)的參數(shù)，通過(guò)這種方法對(duì)電路損耗進(jìn)行了建模。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)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(duì)反激變換電路的效率而言，開(kāi)關(guān)頻率fs和變壓器勵(lì)磁電感Lm是兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)[10]。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率fs和勵(lì)磁電感Lm，測(cè)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(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，開(kāi)關(guān)頻率從40 kHz 到200 kHz 變化，步長(zhǎng)為20 kHz。在不同的驅(qū)動(dòng)電壓和不同的負(fù)載下，同樣進(jìn)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(dòng)電壓的條件下，反激變換電路效率隨不同的變壓器勵(lì)磁電感Lm和開(kāi)關(guān)頻率fs變化的趨勢(shì)。

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

在恒定的開(kāi)關(guān)頻率下，勵(lì)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(lì)磁電感可以減小電流波動(dòng)，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(kāi)關(guān)頻率對(duì)開(kāi)關(guān)損耗和鐵損影響很大。當(dāng)電路在開(kāi)關(guān)頻率小于80 kHz 的條件下工作時(shí)，大電流波動(dòng)引起的高磁化力使得鐵損占主導(dǎo)。開(kāi)關(guān)頻率越高，電流擺動(dòng)越小，從而降低鐵損，提高效率。當(dāng)工作頻率大于80 kHz 時(shí)，功率MOSFET 的開(kāi)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(dòng)電壓、100 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率和60 mH 勵(lì)磁電感的條件下，電路最大效率為81.8%。但在實(shí)際中勵(lì)磁電感的選擇需要根據(jù)反激變換器的工作模式進(jìn)行綜合選擇，當(dāng)負(fù)載比較輕時(shí)，電路要想工作在DCM，獲得高升壓比，應(yīng)該盡量選擇小勵(lì)磁電感的反激變壓器，所以勵(lì)磁電感選擇需要綜合考慮各種因素。

圖6 給出了當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz、勵(lì)磁電感為60 mH 時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨輸出功率和驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓范圍為400 V～1 600 V 的條件下測(cè)量的。

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

在低輸出功率時(shí)，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(shí)，功率MOSFET 的導(dǎo)通損耗以及變壓器的銅損開(kāi)始占主導(dǎo)。在恒定負(fù)載條件下，低驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，由于電流較大，導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)地位。在較高的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓超過(guò)某一值時(shí)，由于大占空比引起的大電流波動(dòng)，鐵損耗成為主導(dǎo)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，鐵損耗隨電流波動(dòng)的增大而增大，從而降低效率。

在開(kāi)關(guān)頻率100 kHz、勵(lì)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(dòng)電壓附近。分析表明，在此條件下，最大效率可達(dá)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(dòng)電路優(yōu)化

在半橋驅(qū)動(dòng)電路中，選擇一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的無(wú)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(dòng)速度，實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)分子激光器采用脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。與其他類型的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)相比，脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)在降低傳導(dǎo)損耗和簡(jiǎn)化控制策略方面也具有優(yōu)勢(shì)。優(yōu)化過(guò)程中，我們選用L＝15 μH 的電感，諧振周期可以計(jì)算得:

式中:C1＝C2＝47 pF 是準(zhǔn)分子激光器的最大寄生電容。實(shí)際的準(zhǔn)分子激光器具有變化的寄生電容，在優(yōu)化的過(guò)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(dòng)準(zhǔn)分子激光器需求。與驅(qū)動(dòng)脈沖持續(xù)時(shí)間相比，諧振時(shí)間要短的多，兩個(gè)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(kāi)關(guān)周期的剩余時(shí)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(dòng)電壓和輸出功率的關(guān)系

3 準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試

準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 準(zhǔn)分子激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

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

3.1 最窄驅(qū)動(dòng)脈沖測(cè)試

利用本文所研制激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)為193 nm 的準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測(cè)試，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖

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

3.2 驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性能測(cè)試

利用上述準(zhǔn)分子激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試。驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定值為1 000 V，脈沖寬度為15 ns，得到驅(qū)動(dòng)脈沖真實(shí)值、脈寬持續(xù)時(shí)間以及上升/下降時(shí)間測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。

如圖10(a)所示，10 次驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間穩(wěn)定度優(yōu)于1.0×10－3。

圖10 驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性能測(cè)試結(jié)果

3.3 準(zhǔn)分子激光器發(fā)光測(cè)試

利用本文所研制激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)為193 nm的準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行發(fā)光測(cè)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(cè)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(zhǎng)為193 nm，且無(wú)其他雜散峰。

3.4 驅(qū)動(dòng)效率性能測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電路的能效可以簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)在不同負(fù)載和不同輸出信號(hào)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(cè)量的負(fù)載范圍從10%到100%，間隔為10%，三種驅(qū)動(dòng)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(dòng)頻率下，峰值效率為68.5%。

4 結(jié)論

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