高能脈沖氙燈驅動電路特性分析

任亞輝，林菊平，童 勇，張 強，劉 攀，夏春燕，王國帥

(西南技術物理研究所，成都 610041)

引 言

高能脈沖激光器指的是具有較大的輸出功率、每間隔一定時間發出一個或多個激光脈沖(寬度通常小于250ms)的激光器，廣泛應用于毀傷、焊接、燒蝕等應用場合[1-2]。高能脈沖激光器具有較高的亮度，通常采用脈沖氙燈作為激光源，其工作原理是利用儲能驅動裝置儲存的電能對高能脈沖氙燈進行放電激發，儲能驅動裝置產生的近矩形的驅動電流波形可以激勵脈沖氙燈獲得穩定的高亮度，同時也可以精確控制脈沖氙燈的放電過程[3]。目前，國內外氙燈驅動裝置主要采用脈沖成形網絡(pulsed forming network,PFN)來存儲初始能量，并通過調節脈沖驅動電流的波形來滿足實際應用需求[4]。

近年來，LIU等人研究了PFN的波形構造和精確觸發控制[5-10];TANG等人研究了PFN電路的時序控制[11];SCHOLFIELD等人討論了真空狀態下PFN的放電特性[12];LI等人研究了氙燈的放電特性和建模[13-15]。盡管對PFN和脈沖氙燈已經做了大量研究工作，實踐中仍然存在一些局限，如增加PFN網絡節數可以有效改善波形[16]，但由于重量和體積的約束，過多的網絡節數可能不能接受；由于PFN放電過程短暫[17]，在很多模型和分析中，氙燈的阻抗都被等效為恒定不變的阻值，而在工程設計和實際的應用中，氙燈阻抗總是隨導通電流的改變而動態改變[18]，且阻抗的這種變化會影響PFN放電過程和放電特性[19]。因此，建立包含這種氙燈放電特性的驅動電路模型，并將PFN和高能脈沖氙燈結合成為一個整體，結合工程化進行放電特性的研究，可以更加真實地反映驅動電路的工作特性，并且有利于進一步推動高能脈沖氙燈驅動電路的工程應用及拓展。

本文中簡述了PFN的基本原理和脈沖氙燈的放電特性，探討了電氣參數的計算，通過仿真分析了PFN節數、首末電感、網絡電感等電氣參數對脈沖電流波形的影響，并分析了PFN節數對工程實現的影響。

1 基本組成

本文中闡述的高能脈沖氙燈儲能驅動裝置由PFN線路和脈沖氙燈兩部分構成。其工作原理為脈沖氙燈點火后，經充電的PFN網絡對脈沖氙燈進行短時大電流放電，產生高功率、高亮度的激光。

1.1 脈沖形成網絡

脈沖成形網絡是將R-L-C3種無源器件根據一定的規則形成電路組元，利用各組元放電波形的疊加形成滿足實際應用需要的電流波形[20]。PFN有3種類型：一類是根據雷利法則設計而來；另外的兩種類型分別是基于導納函數的有理分式和傳輸線阻抗函數展開[21]。其中雷利脈沖成形網絡由多個電路拓撲結構相同的電路組元串聯而成，如圖1所示。由于雷利脈沖成形網絡每個電路組元的電容、電感參數一致，能實現類似方波的脈沖電流輸出，且在工程應用上方便實現，使其成為脈沖功率應用領域的主要網絡形式[22]。

Fig.1 PFN circuit

網絡阻抗Z為：

(1)

式中,L∑表示網絡中各電感之和，C∑表示網絡中各電容之和。

由于放電開始時刻的電感電流為0，網絡中的能量全部保存在電容中，網絡中的能量為：

(2)

式中,U是放電開始時刻電容兩端的電壓。

1.2 脈沖氙燈的放電特性

脈沖氙燈由加在電極的高壓于軸向形成強電場后，在觸發脈沖作用下，燈管氣體進入類穩放電階段[23]，此時氙燈的等離子體電阻率可用下式表示：

ρ=K1j-1/2

(3)

式中,K1為等離子體電阻率系數；j為電流密度。

此時脈沖氙燈電壓-電流變化規律用下式描述：

(4)

式中,VAK是電極位降；V和I是氙燈瞬時電壓和瞬時電流；l和d是氙燈的弧長和直徑。

將(3)式代入(4)式，忽略20V左右的電極位降VAK后[24]，脈沖氙燈的電壓-電流特性方程用下式描述：

V=K0I1/2

(5)

K0在理論上只與氙燈內的氣體類型和氣壓有關，目前常用的經驗公式首先由GONZE提出：

(6)

式中,p為氙燈內放電前氣體壓強。

脈沖氙燈的等效阻抗為：

RDC=K0I-1/2

(7)

脈沖氙燈的放電能量為：

E=TpIm2RDC

(8)

式中,Tp為氙燈放電脈沖寬度，Im為平均電流。

將(7)式代入(8)式可得：

E=TpK0I3/2

(9)

(10)

(11)

2 電路仿真及結果分析

2.1 電路參數計算與仿真

Z=kRDC

(12)

式中,k是阻抗匹配系數。

由于E=E∑,聯立(1)式、(2)式、(9)式、(10)式、(11)式可得：

(13)

(14)

(15)

建立電路仿真模型如圖2所示，圖中f(u)是激勵函數。

Fig.2 Simulation model

以某型產品為例，計算電路參數并進行放電特性仿真。仿真中，放電能量E=10000J，氙燈放電脈沖寬度Tp=1.2ms，氙燈特性系數K0=61.38Ω·A1/2，根據阻抗匹配系數計算電路參數，如表1所示。

Table 1 Circuit parameters with different k values

為不失一般性，設置放電網絡的節數n=4，仿真結果如圖3所示。

Fig.3 Pulse current waveform at different k values

由圖3可知，k>1時,驅動電流會產生反向過沖現象，危害氙燈運行安全;k<0.75時,驅動電流下降沿會產生震蕩現象，影響氙燈光電轉換效率。k的理想設置區間為0.75～1。

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2.2 節數n對放電波形的影響

對2.1節中某型產品k=0.75的情況，保持C∑和L∑不變，開展不同節數n的仿真分析，設置節數n分別為3，4，5，6，7，8，網絡中電容和電感均相同，仿真結果如4圖所示，波形數據如表2所示。

由圖4和表2可知，當網絡節數越大時，脈沖波形前后沿越陡峭，變化速度越快，但節數從6增加到8時，脈沖前沿和后沿變化率的變化幅度遠不如節數從3增加到5的大。隨著節數的增多，放電電流波形中的波峰和波谷數量也越多，且數量和節數相同，而波峰和波谷的幅值依次減小?？梢灶A見，當節數越多時，所產生的放電電流波形越接近矩形。在放電時，無論節數有多少，放電電流波形中的第1個波峰均會出現較為明顯的過沖，且波峰的幅值不受節數的影響。

Fig.4 Pulse current waveform at different node

Table 2 Influence of node on discharge waveform

2.3 節數n對工程實現的影響

對2.1節中某型產品k=0.75的情況，保持C∑和L∑不變，開展不同節數n的工程實現分析，設置節數n分別為3，4，5，6，7，8，網絡中電容和電感均相同，工程實現后的體積、重量和失效率如表3所示。

Table 3 Engineering parameters at different node

在實際工程應用中，電容和電感往往采用一體化設計，經脈沖成形電路的各元件封裝在一個箱體內，設計結果顯示，產品的體積、重量和失效率均隨著網絡節數的增加而近似線性增加，其中失效率隨著網絡節數的增加而成比例的增加，因此，最終在確定電路結構時應考慮安裝空間、重量以及任務可靠度的要求，綜合考慮各約束條件來選擇網絡節數，以滿足工程實現要求。

2.4 首鏈電感對放電波形的影響

對首鏈的電感值進行加權，為不失一般性，設網絡節數n=4，則：

L2=L3=L4=L

(16)

L1=q1L

(17)

L∑=L1+L2+L3+L4

(18)

設置首鏈電感加權值q1為1.8，1.6，1.4，1.2，1，0.8，仿真結果如圖5和表4所示。

Fig.5 Discharge waveform with different leading chain inductance weights

Table 4 Influence of inductance weighted value of leading chain on waveform

由圖5和表4可知，首鏈電感的電感值改變對放電電流波形第1個波峰的影響較大，減小首鏈電感的電感值可使上升沿變快，但會使波峰的過沖加劇，且第1個波峰后會跟隨有震蕩，增大首鏈電感的電感值可抑制波峰的過沖，但會改變上升時間和下降時間，將首鏈電感加權至1.2時可明顯抑制過沖，加權至1.6以上時抑制過沖不再明顯，且上升時間和下降時間顯著增加。因此，首鏈電感加權值的理想取值區間為1.2～1.4。

2.5 末鏈電感對放電波形的影響

對首鏈的電感值進行加權，為不失一般性，設網絡節數n=4，則：

L1=L2=L3=L

(19)

L4=q2L

(20)

L∑=L1+L2+L3+L4

(21)

設置末鏈電感加權值q2為1.4，1.2，1，0.8，0.6，0.4，仿真結果如圖6和表5所示。

由圖6和表5可知，末鏈電感的電感值改變對放電電流波形第1個波峰影響較小，減小末鏈電感的電感值可使下降沿變寬，有效脈寬小幅度變寬，但也會小幅度增加上升時間。因此，末鏈電感加權值的理想取值點在0.8附近。

Fig.6 Discharge waveform with different end chain inductance weights

Table 4 Influence of inductance weighted value of end chain on waveform

3 結 論

本文中從工程實現的角度分析了脈沖成形網絡的電路結構以及電感、電容參數計算，基于氙燈的放電特性，建立了仿真模型，通過仿真分析了影響脈沖波形的因素，并分析了電路結構對工程實現的影響程度。

在實際設計過程中，要綜合考慮性能指標要求，以及體積、重量、失效率等應用要求，來確定PFN節數，節數越多，脈沖波形越接近矩形，但同時產品的體積和重量更大，失效率更高。改變首鏈和末鏈電感值可以調節放電電流波形的波峰和波谷幅值，并可以微調前后沿波形，但波峰最高幅值和脈沖前后沿兩個指標只能平衡，不可兼得，因此，在工程應用中應結合需求，綜合考慮，合理調整電路中的各個參數。