CO2激光器高壓脈沖觸發系統的設計

張興亮，郭立紅，張傳勝，孟范江

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

CO2激光器高壓脈沖觸發系統的設計

張興亮1，2，郭立紅1*，張傳勝1，孟范江1

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

為了穩定可靠地觸發CO2激光器旋轉火花開關，設計了一套高壓脈沖觸發系統并且提出了一種新型的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）驅動與保護方法。根據CO2激光器中旋轉火花開關的觸發結構，應用復雜可編程邏輯器件（CPLD）芯片EPM3512開發了可以輸出1OO～5OOHz重頻脈沖信號以及單次脈沖信號的觸發信號源；應用光耦HCPL-312O設計了具有過流、過壓保護功能兼有電磁兼容（EMC）設計的IGBT驅動電路；對高壓脈沖變壓器進行建模并通過PSPICE軟件仿真；搭建了實驗平臺，進行了聯機性能測試。實驗結果表明：在5OOHz的重復頻率下，高壓脈沖觸發系統可連續穩定地輸出高于38 kV的高壓重頻脈沖，基本滿足CO2激光器的旋轉火花開關穩定可靠觸發的要求。

CO2激光器；火花開關；絕緣柵雙極晶體管；脈沖變壓器

1 引 言

近年來，CO2激光器在工業加工、航天、國防等領域的應用日益廣泛。CO2激光器屬于高壓電脈沖激勵型激光器，其主要工作過程是對高壓電容器組反復充放電，其中脈沖形成電路中的大功率開關是核心關鍵部件。大功率開關通常采用閘流管或火花開關，由于具有導通功率大、放電速度快的優點，火花開關在大功率CO2激光器中得到了廣泛的應用[1-6]。中科院長春光機所的大功率CO2激光器采用旋轉火花開關作為放電開關，由高壓脈沖觸發系統控制旋轉火花開關的導通與關斷。在高氣壓、高電壓下工作的旋轉火花開關對高壓脈沖觸發系統的輸出脈沖提出了嚴格的要求。高壓脈沖觸發系統工作的穩定性和可靠性直接影響旋轉火花開關的穩定性和可靠性，繼而嚴重影響CO2激光器的穩定性和可靠性。

旋轉火花開關放電時電磁干擾非常強烈[7]，高壓脈沖觸發系統工作的電磁環境條件非常惡劣，因此，電磁兼容（EMC）設計十分重要。

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，從而對控制旋轉火花開關的高壓脈沖觸發系統提出了更高的要求。為了滿足大功率CO2激光器的工程研究的需要，本文設計了一套高壓脈沖觸發系統。

2 高壓脈沖觸發系統的組成結構

旋轉火花開關在CO2激光器中的作用如圖1所示，旋轉火花開關主要由高壓電極、接地電極和旋轉的觸發電極組成。當脈沖CO2激光器工作時，觸發系統產生的高壓尖峰電壓施加到觸發電極，開關上下電極間隙中的氣體被迅速擊穿形成短路，繼而引發主放電電極放電[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為主儲能電容充電電感；L3為預電離電容充電電感；C1為主儲能電容；C2為預電離電容；C3為銳化電容；SG1為旋轉火花開關；SG2為預電離火花間隙。

根據旋轉火花開關工作在較高氣壓（O.O8～O.14 MPa）的要求，所需高壓脈沖觸發系統的技術參數如下：

脈沖電壓幅值：≥38 kV；

脈沖寬度：≤12Oμs；

重復頻率：1OO～5OOHz；單次。

高壓脈沖觸發系統主要由電源、脈沖信號源、IGBT功率管驅動與保護電路和高壓脈沖變壓器等部分組成。高壓脈沖觸發系統的組成如圖2所示。

圖2 高壓脈沖觸發系統的組成Fig.2 Composition of high-voltage pulse trigger system

在圖2高壓脈沖觸發系統的組成中，脈沖信號源采用CPLD芯片EPM3512，可以輸出1OO～5OOHz的重頻脈沖信號和單次脈沖信號；IGBT驅動與保護電路保證IGBT穩定可靠的工作；高壓脈沖變壓器實現升壓變換，獲得滿足要求的觸發脈沖；對比各個設計模塊，IGBT驅動、保護電路和高壓脈沖變壓器是高壓脈沖觸發系統的關鍵。

3 高壓脈沖觸發系統的設計

3.1 IGBT驅動電路

理想的IGBT驅動電路應具有以下要求：（1）能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖；（2）輸入輸出無延遲并具有電隔離能力；（3）IGBT處于過流狀態時，實現IGBT的軟關斷。

IGBT驅動電路一般采用3種基本形式：直接驅動電路；脈沖變壓器隔離驅動電路；光耦隔離驅動電路。其中，光耦隔離驅動電路以其自身的優越性能得到了廣泛的應用，本文設計的驅動電路就是采用光耦驅動的電路。

本文設計的驅動電路是基于惠普公司的晶體管驅動芯片HCPL-312O，它控制IGBT的導通、關斷，IGBT驅動電路如圖3所示。本驅動電路具有過流保護功能，當IGBT集射極發生短路或電流過高時，發射極電壓升高，輸入運放LM158J 3腳的電壓高于2腳，1腳輸出高電壓，光耦PS25O1導通，光耦PS25O1 4腳輸出低電平，則54LSO9輸出為低電平，IGBT關斷，從而IGBT得到了有效的保護。

圖3 IGBT驅動電路Fig.3 IGBT drive circuit

3.2 高壓脈沖變壓器設計

高壓脈沖變壓器是觸發電路系統中重要的元件，主要作用是通過磁耦合實現能量傳遞、電壓變換、初級和次級電氣隔離等[9-11]。旋轉火花開關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設計

高壓脈沖變壓器要求鐵芯材料具有較高的磁感應強度增量和較低的剩磁，為此選用了鐵基非晶合金材料。鐵芯截面參數的選取需要綜合考慮磁感應強度的增量、漏感、勵磁電感、脈沖波形前沿和頂降等因素。經過優化設計[12-13]，選取環形鐵芯，截面為3Ocm2。根據如下公式來確定初、次級匝數。

初級匝數的計算公式為：

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

脈沖觸發系統要求輸出脈沖寬度小于12Oμs，實際中按照脈寬為1OOμs進行設計，代入數據得：

代入數據得：N2=15×8O=1 2OO；其中：n為變比，N2為次級匝數；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設計

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構參數的關系。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為脈沖源內阻；Cp為初級回路分布電容；Ls為漏感；Lm為勵磁電感；C′s為次級換算到初級的分布電容；R′2為次級換算到初級的負載電阻。

3.2.2.2 分布參數設計

分布參數是脈沖變壓器能否實現的關鍵。根據以往脈沖變壓器的輸出參數和文獻[13]中的相關設計公式，可以計算出漏感Ls=34μH，初級回路電容Cp=3 619 pF，次級回路電容換算到初級電容值C′s=445 nF，變壓器勵磁電感Lm= 13.5 mH，將計算結果代入仿真模型，運用PSPICE軟件仿真[15]，得到脈沖變壓器的設計輸出波形。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 高壓脈沖觸發系統的電磁兼容及保護設計

3.3.1 電磁兼容設計

大功率CO2激光器工作時會產生強烈的電磁干擾。在高壓脈沖觸發系統中，適時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保護電路

圖3顯示了IGBT的驅動電路具有過流保護功能。但當旋轉火花開關導通后，次級電路電流發生突變，反饋到脈沖變壓器初級的電流會突變，又由于脈沖變壓器初級電感的續流能力，IGBT集電極將產生很高的尖峰電壓和大電流，會導致IGBT損壞。為此設計了IGBT的過壓保護電路，如圖6所示。RCD電路的工作原理為：當旋轉火花開關導通后，IGBT集電極會產生很高的電壓和很大的電流，使電容C2迅速導通，經過快速恢復二極管D2把能量釋放到大地，從此IGBT得到了可靠的保護。

4 實驗過程及結果分析

采用TEK TDS3O52B示波器和PVM-1高壓探頭對高壓脈沖觸發系統進行了詳細的性能測試。測試點選為高壓脈沖變壓器的輸出電壓和旋轉火花開關的觸發電極，得到如下測試波形（圖7～11）。

對比高壓脈沖變壓器的仿真波形（圖5）和實驗波形（圖7）可知，高壓脈沖變壓器實際輸出的電壓波形與通過PSPICE軟件仿真設計得到的輸出波形基本一致。高壓脈沖變壓器實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火花開關的觸發放電引起的，高壓脈沖變壓器實際輸出同樣有反擺。高壓脈沖變壓器的設計實踐表明：應用PSPICE軟件仿真能夠理論指導和簡化高壓脈沖變壓器的具體設計，但是，實際制作高壓脈沖變壓器的工藝缺陷導致輸出波形的畸變同樣不可避免。

5OOHz重頻條件下，觸發電極兩端電壓波形如圖8所示。由圖9、圖1O和圖11可見，觸發系統在2OO、4OO、5OOHz等重頻條件下都能夠穩定輸出大于38 kV的高壓。同時，由圖11右側“Ch1+寬度1O2μs”可以讀出觸發系統輸出脈寬為1O2μs，滿足設計指標，觸發系統能可靠地觸發旋轉火花開關。

圖8 5OOHz時觸發電極電壓波形Fig.8 Outputwaveforms of trigger electrode at5OOHz

圖9 2OOHz重頻下觸發系統輸出波形Fig.9 Outputwaveforms of trigger system at2OOHz

圖10 4OOHz重頻下觸發系統輸出波形Fig.10 Outputwaveforms of trigger system at4OOHz

圖11 5OOHz時觸發電極電壓多周期波形Fig.11 Multi-period output waveforms of trigger electrode at5OOHz

5 結 論

本文根據旋轉火花開關穩定可靠觸發的要求，設計了一套高壓脈沖觸發系統，提出了一種IGBT驅動與保護的方法，并介紹了旋轉火花開關的工作環境。實驗結果表明：在5OOHz重頻工作條件下，觸發系統輸出電壓大于38 kV，輸出脈寬小于12Oμs，能夠可靠觸發CO2激光器旋轉火花開關，系統的性能和指標滿足設計指標的要求。

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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，Fine 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，博士生導師，主要從事激光對抗、計算機應用、天文慣導等方面的研究。E-mail：guolh@ciomp.ac.cn

1674-2915（2O12）O4-O416-O7

2O12-O2-16；

2O12-O4-15

激光與物質相互作用國家重點實驗室研究基金資助項目（No.SKLLIMO9O2-O1）