氦氖激光器在精密計量,、準直,、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)不斷擴展到國民經(jīng)濟中的各個領(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中，激光管電流的穩(wěn)定是數(shù)據(jù)采集準確性的重要保證,。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[1]設(shè)計的He-Ne激光器電源結(jié)構(gòu)簡單、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,，不適合長時間工作；參考文獻[2]提出的一種新穎的He-Ne激光器電源,，采用變壓器進行升壓,，通過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[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)計的氦氖激光電源采用兩個半橋逆變器輸入,、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)計與工作原理
    高壓直流輝光放電激勵是氦氖激光器的主要激勵方式,，為了使激光管進入正常的輝光放電狀態(tài)，其兩端的電壓必須達到擊穿電壓,。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,。電路開始工作時，控制繼電器K1閉合,，此時兩個半橋逆變器同時工作,，其輸出經(jīng)過整流濾波后，再串聯(lián)為激光管提供擊穿電壓。當激光管點亮后,，控制繼電器K1斷開,，半橋逆變器2停止工作，半橋逆變器1的輸出經(jīng)過二極管支路為激光管提供正常工作的電壓,。當電路中的負載發(fā)生變化時,，采集電路采集的電流信號反饋給控制電路，通過調(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)計的激光電源參數(shù)為：開關(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,，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,，負載電阻為300 kΩ，PWM波峰峰值為20 V,。根據(jù)參考文獻[6]可知,，半橋逆變器可以等效成BUCK變換器。電流和電壓的補償網(wǎng)絡(luò)均采用單極點-單零點網(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,，其穿越頻率為4.32 kHz，在這個頻率下,，控制系統(tǒng)的相位裕度達到了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,，無論是輸入輸出的波動都會引起電感電流或者功率開關(guān)管的變化,，通過電流反饋信號使得控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會像電壓單環(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)的等效功率級電路是電壓控制環(huán)的控制對象(這是一個單極點型控制對象),，因此相位裕度大,，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
3 電路仿真與驗證
    利用Multisim 10仿真軟件對硬件電路進行仿真,，電路采用電壓電流雙環(huán)控制的模式,，電壓和電流的補償網(wǎng)絡(luò)均采用單極點-單零點的方式[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亮與正常工作的要求，說明硬件電路設(shè)計滿足激光管的要求,。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的時間,，上升過程相當快。到達5 000 V左右后,，維持60 ms的時間,，這個過程用來點亮擊穿激光管。然后輸出電壓立即下降到1 800 V左右,，達到激光管的正常工作電壓,。當激光管正常工作、電源輸出電壓穩(wěn)定后,，如果負載減少一定值,，從圖6（b）可以看出電流有波動，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,，說明該激光電源能夠?qū)崿F(xiàn)自動穩(wěn)流,。
4 實驗
    制作了一個原理樣機，開關(guān)管使用IRFP460,，其耐壓達到500 V,，最大電流為20 A；PWM芯片選用SG3525,驅(qū)動芯片使用IR2110。對250 mm的氦氖激光管進行實驗,，在實驗過程中串聯(lián)一個電流表,。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當激光管點亮后延遲了很短時間,，電流表的讀數(shù)從12 mA跳到6 mA左右,，并保持穩(wěn)定。當增加或者減少負載時,，電路中的電流有一個小的波動,，但是很快就穩(wěn)定了，這表明該款電源的確能夠?qū)崿F(xiàn)自動穩(wěn)流,，說明了理論分析的正確性,。
    通過對激光器電源性能要求的分析，設(shè)計了一個基于半橋逆變器輸出串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的氦氖激光器高壓電源,，并對電壓單環(huán)控制和電壓電流雙環(huán)控制兩種控制策略進行了討論和比較,，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)簡單,、控制方式容易,、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，這對于氦氖激光管加速壽命試驗中有重要意義,。
參考文獻
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