基于RCC變換的加壓式電光調Q電源設計

【摘要】設計了一種基于RCC自激振蕩電路的加壓式調Q電源，以快速功率MOS管作為開關器件，通過對高壓源的反饋實現穩壓。實驗證明，1/4波長高壓脈沖的上升沿可以在20ns時間內完成，高壓幅值可在2kV至6kV之間調節，輸出激光的脈沖寬度可到10ns以內，滿足各種電光調制的需要。該電源性能優良且工作穩定，在重復頻率為5kHz、工作溫度范圍-55℃～+70℃條件下穩定輸出。

【關鍵詞】RCC變換；調Q；高壓脈沖；寬溫度范圍

1.引言

Q開關是一種廣泛應用于產生巨脈沖功率激光的運轉方式[1]，在固體激光器中，電光Q開關是非常重要的單元器件，利用晶體的一次電光效應制作的電光Q開關具有開關速度快、時間可控等優點。電光調Q利用電光晶體的電光效應實現激光腔的Q值突變，目的是產生高峰值功率、窄脈沖寬度的激光。

電光Q開關驅動電路是一個高壓快速放電裝置，過去常用真空管、閘流管及可控硅等做為高壓放電驅動元件，今年來利用晶體管的雪崩特性或其他方式設計出了更快速的調Q電源，然而有其天生的缺點：電路設計復雜，元器件篩選周期長，成品率低，對于寬溫度范圍工作的條件下很難做到一致性輸出。

2.高壓負脈沖設計

2.1 RCC自激振蕩電路設計

反激式自激振蕩變換器就是通常所指的RCC（Ringing Choke Converter）電路，采用和PWM型變換器相對的一種驅動方式，開關的導通和關斷不需要專門的觸發電路，完全靠電路內部來完成。在結構上是單極點系統，容易得到快速穩定的響應。直流電壓28V輸入后，如圖1所示，將直流電壓由變壓器T1的輸入線圈和隔離反饋網絡形成自激振蕩，其中U1為光耦，U1為TL431。變壓器T1的輸出脈沖交流高壓經D4整流和C5濾波儲能后形成500V直流高壓源，作為高壓脈沖的輸入源。直流高壓的幅值大小可由電位器R13調節。直流高壓經限流電阻器R11后，對電容器C9充電，此次快速驅動信號未驅動開關器件Q2，當設定好的快速驅動脈沖信號QDriv打開Q2的瞬間，電容器C9經Q2迅速放電，形成快速下降沿的負高壓脈沖。其中，Q2的型號為STP5NB90，經實驗測試，負脈沖下降沿時間可達到18ns。

2.2 RCC變壓器設計

3.脈沖磁放大電路設計

輸入至脈沖磁放大電路的負高壓脈沖信號，經過兩級磁放大脈沖變壓器后，輸出高壓經過快速整流二極管后輸出高壓快速正脈沖，如圖2所示。

負高壓脈沖經過變壓器T2后完成一級升壓，C10除隔整流分量，將信號進行耦合，與變壓器T3的初級線圈形成LC振蕩。同時，T3完成二級放大，經D6和D7整流后，防止輸出電壓反沖，對輸出脈沖進行限幅和整形。輸出如圖所示的高壓脈沖，上升沿可到20ns以內，電壓隨繞制匝數比增加，本電路的匝數比設計為5：25～5：30之間的調整范圍。其中，變壓器T2和T3的設計采用了不同材料的鐵氧體磁芯，充分考慮了溫度對磁芯材料的磁導率影響，繞制導線的處理和繞制工藝充分考慮抗飽和因素，實現了在寬溫度范圍內輸出不會有較大變化，滿足激光輸出Q調制需求。最終輸出的高壓脈沖幅值可由RCC電路的反饋電路調制，也可由變壓器T2和T3的匝數比進行微小調整實現。

本調Q電源在寬溫范圍內實現了由2kV至6kV的大范圍調節，輸出波形如圖2中示意，正常工作的溫度范圍達到了-55℃～+70℃，最高工作頻率5kHz。在多個激光器上進行實驗，輸出激光脈沖寬度到5ns～6ns。

4.仿真分析

5.結語

本文設計的寬溫范圍加壓式調Q電源，采用RCC自激振蕩電路和脈沖磁放大電路，實現了由2kV至6kV的大范圍調節，最高工作頻率達到5kHz。其中，脈沖磁放大電路采用不同磁芯材料繞制脈沖變壓器，充分考慮了磁性材料對溫度條件的敏感性，使得電路對-55℃至+70℃的寬溫度范圍內均可滿足使用要求，提高了加壓調Q電源的環境適應性和可靠性。并在多個激光器行進行了實驗，輸出激光脈沖寬度到5ns至6ns。

參考文獻

[1]W.克希耐爾.固體激光工程.科學出版社，2002：410-415.

[2]趙修科.實用電源技術手冊磁性元器件分冊[M].遼寧科技出版社，2002：120-128.

[3]王連英.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析 修訂版[M].電子工業出版社，2011.