氦氖激光器在精密計(jì)量、準(zhǔn)直,、導(dǎo)航,、全息照相、通信,、激光醫(yī)學(xué)等方面有著極其廣泛的應(yīng)用,。隨著激光技術(shù)不斷擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域，激光器使用壽命就愈發(fā)顯得重要。在激光器加速壽命試驗(yàn)中,，激光管電流的穩(wěn)定是數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的重要保證,。而激光管的電流能否穩(wěn)定關(guān)鍵在于電源的輸出能否穩(wěn)定。
    參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的He-Ne激光器電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、元器件少,、耐沖擊性高，但其所使用的變壓器仍是工頻變壓器,，體積大,、不易攜帶，并且易受外界干擾,，不適合長(zhǎng)時(shí)間工作,；參考文獻(xiàn)[2]提出的一種新穎的He-Ne激光器電源，采用變壓器進(jìn)行升壓,，通過(guò)電阻分壓的方式降低激光管兩端的電壓,，電源效率低；參考文獻(xiàn)[3-4]所提出的激光電源電路采用高頻變壓器和倍壓整流電路共同作用產(chǎn)生氣體激光器的擊穿電壓,，但是其輸出電壓穩(wěn)定性及帶載能力都差,。
    本文所設(shè)計(jì)的氦氖激光電源采用兩個(gè)半橋逆變器輸入、并聯(lián)輸出串聯(lián)的方式為激光器提供擊穿電壓,，單個(gè)逆變器可為激光管提供正常工作的電壓,，采用電壓電流的雙環(huán)控制策略使得激光管輸出電流穩(wěn)定。
1 電路設(shè)計(jì)與工作原理
    高壓直流輝光放電激勵(lì)是氦氖激光器的主要激勵(lì)方式,，為了使激光管進(jìn)入正常的輝光放電狀態(tài),，其兩端的電壓必須達(dá)到擊穿電壓。激光管擊穿后,，電源還應(yīng)該能保證放電管正常的工作電壓和電流,。對(duì)于250 mm氦氖激光管，其擊穿電壓約為5 kV,，正常工作電壓約為1 800 V,。氦氖激光高壓模塊電源的功率電路和采集反饋回路如圖1所示。

    圖中C10,、C11,、VT1、VT2和T1構(gòu)成半橋逆變器1,；C12,、C13、VT3,、VT4和T2構(gòu)成半橋逆變器2,。兩個(gè)半橋逆變電路采用輸出串聯(lián)[5]的方式提供激光管的擊穿電壓,，繼電器K1控制半橋逆變器2的工作。電路開(kāi)始工作時(shí),，控制繼電器K1閉合,，此時(shí)兩個(gè)半橋逆變器同時(shí)工作，其輸出經(jīng)過(guò)整流濾波后,，再串聯(lián)為激光管提供擊穿電壓,。當(dāng)激光管點(diǎn)亮后，控制繼電器K1斷開(kāi),，半橋逆變器2停止工作,，半橋逆變器1的輸出經(jīng)過(guò)二極管支路為激光管提供正常工作的電壓。當(dāng)電路中的負(fù)載發(fā)生變化時(shí),，采集電路采集的電流信號(hào)反饋給控制電路,，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比使得激光管工作保持穩(wěn)定。
2 電壓電流雙環(huán)控制策略
    由圖1可知,，本文所設(shè)計(jì)的氦氖激光電源采用了電壓電流雙環(huán)控制,，電流內(nèi)環(huán)采集的是電感電流，將逆變器,、變壓器和整流濾波看成一個(gè)DC-DC變換器,，因此圖1可以等效為圖2的形式。

    雙環(huán)控制分為電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制,，其中電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖3所示,。vCP為電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出，GM(s)為PWM傳遞函數(shù),，Gid(s)為變換器的傳遞函數(shù),，GC(s)為電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，RS為電流采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),，從而可得電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為：
 

    電壓外環(huán)控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖4所示,。

 
    所設(shè)計(jì)的激光電源參數(shù)為：開(kāi)關(guān)頻率fs=100 kHz，逆變器輸入電壓為200 V～310 V,，變壓器匝數(shù)比1:20。激光管正常工作時(shí),，電路輸出為1 800 V,。電路輸出電流io=6 mA，電感L1=L2=10 mH,，輸出電容為C14=C15=220 μF,，采樣電阻RS=10 Ω，電流為6 mA時(shí),，負(fù)載電阻為300 kΩ,，PWM波峰峰值為20 V,。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]可知，半橋逆變器可以等效成BUCK變換器,。電流和電壓的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均采用單極點(diǎn)-單零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)[7],。電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的波特圖如圖5所示。

    曲線1為電壓電流雙環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),，曲線2為電壓電流雙環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù),。從曲線1可知，雙環(huán)控制時(shí),，其穿越頻率為4.32 kHz,，在這個(gè)頻率下，控制系統(tǒng)的相位裕度達(dá)到了65°,幅值裕度也大于0,，因此雙環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好,。在含有電流內(nèi)環(huán)控制的系統(tǒng)中，無(wú)論是輸入輸出的波動(dòng)都會(huì)引起電感電流或者功率開(kāi)關(guān)管的變化,，通過(guò)電流反饋信號(hào)使得控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會(huì)像電壓?jiǎn)苇h(huán)控制型那樣等到電壓變化才起到控制調(diào)節(jié)作用,。在雙環(huán)控制系統(tǒng)中，電流控制環(huán)的控制對(duì)象為一階積分或者近似為一階積分環(huán)節(jié),，所以電流控制環(huán)有很好的穩(wěn)定性,。由于電流控制環(huán)的等效功率級(jí)電路是電壓控制環(huán)的控制對(duì)象(這是一個(gè)單極點(diǎn)型控制對(duì)象)，因此相位裕度大,，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,。
3 電路仿真與驗(yàn)證
    利用Multisim 10仿真軟件對(duì)硬件電路進(jìn)行仿真，電路采用電壓電流雙環(huán)控制的模式,，電壓和電流的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均采用單極點(diǎn)-單零點(diǎn)的方式[7],，其電源電壓輸出波形如圖6所示。

    從圖6(a)中可以看出,，電源的輸出電壓波形可以滿足激光管點(diǎn)亮與正常工作的要求,，說(shuō)明硬件電路設(shè)計(jì)滿足激光管的要求。電源電路的輸出電壓從0 V上升到5 000 V左右只需要40 ms的時(shí)間,，上升過(guò)程相當(dāng)快,。到達(dá)5 000 V左右后，維持60 ms的時(shí)間,，這個(gè)過(guò)程用來(lái)點(diǎn)亮擊穿激光管,。然后輸出電壓立即下降到1 800 V左右，達(dá)到激光管的正常工作電壓,。當(dāng)激光管正常工作,、電源輸出電壓穩(wěn)定后，如果負(fù)載減少一定值,，從圖6（b）可以看出電流有波動(dòng),，但是很快就穩(wěn)定了,電流穩(wěn)定后與前一穩(wěn)態(tài)的值相比誤差很小,，說(shuō)明該激光電源能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)流。
4 實(shí)驗(yàn)
    制作了一個(gè)原理樣機(jī),，開(kāi)關(guān)管使用IRFP460,，其耐壓達(dá)到500 V，最大電流為20 A,；PWM芯片選用SG3525,驅(qū)動(dòng)芯片使用IR2110,。對(duì)250 mm的氦氖激光管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中串聯(lián)一個(gè)電流表,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),，當(dāng)激光管點(diǎn)亮后延遲了很短時(shí)間，電流表的讀數(shù)從12 mA跳到6 mA左右,，并保持穩(wěn)定,。當(dāng)增加或者減少負(fù)載時(shí)，電路中的電流有一個(gè)小的波動(dòng),，但是很快就穩(wěn)定了,，這表明該款電源的確能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)流，說(shuō)明了理論分析的正確性,。
    通過(guò)對(duì)激光器電源性能要求的分析,，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于半橋逆變器輸出串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的氦氖激光器高壓電源，并對(duì)電壓?jiǎn)苇h(huán)控制和電壓電流雙環(huán)控制兩種控制策略進(jìn)行了討論和比較,，最后得出了電壓電流雙環(huán)控制更利于激光器穩(wěn)定工作的結(jié)論,。與其他電源相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方式容易,、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),，這對(duì)于氦氖激光管加速壽命試驗(yàn)中有重要意義。
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