高功率激光器能源组件的研制

关键词  能源组件 零电流高频变换器 数据采集 氙灯

中图分类号: TN248.1             文献标识码:A

我们研制的能源组件是某高功率激光器系统的一个重要组成部分，功能是为激光源提供合适的高能量脉冲。每台能源组件使用40台金属膜自愈式高储能密度电容器并联作为储能元件，开关输出经过50m 高压电缆连到氙灯,为10路氙灯提供泵浦能量。能源组件由充电、储能、开关及控制四个单元模块组成。

1 能源组件总体设计

每个能源组件主要包括充电、储能、开关及控制四个模块,采用储能电容器单端接地的总体技术方案，能源组件内部组成框图及主回路电路原理简图分别如图1、图2。

Fig.1 Configuration of the power module

图1  能源组件内部组成框图

Fig.2 Schematic diagram of main circuit in power module

图2 能源组件主回路电路原理简图

图2中，C1-C40为储能电容，L1-L40为电容器保护电感（绕组有电阻），VE1为开关管，L41-L50为能量分配电感，R1-R2为安全泄放电阻，K1-K2为安全泄放开关，T1为引燃管触发变压器。

能源组件主要技术指标如下：

(1) 能源组件储能：          更大1.2MJ

(2) 组件工作电压：          23.5kV（更高24kV）

(3) 组件氙灯放电回路路数：  10路（双灯串联）

(4) 充电电压重复精度：      ≤±5‰

(5) 充电时间：             （57±3）s；

(6) 放电脉冲宽度：          510×（1±10％）μs

2 能源组件各单元模块的设计

2.1储能模块

该模块主要用来安装储能电容器组，并受控进行放电，通过能量分配电感形成定形的高能脉冲。储能电容器组采用40只容量110μF、耐压25KV的金属介质型自愈式高压电容器并联而成，总容量为4400μF，当电容器组充电至23kV 时储能约1.2MJ。

由于储能电容器数量较多、储能较大，在故障（短路及传输电缆击穿）情况下，对电容器的保护尤为重要。在能源组件的放电回路中，发生概率相对较大、后果较严重的故障有：氙灯端部短路、氙灯爆炸、电缆短路、电容器内部击穿和母线短路故障。前3项故障的主要影响为导致能量分配电感中出现大电流，后两项故障则导致在保护电感中形成大电流。两类故障情况均可能导致电感的爆炸，且后者还可能引起电容器的爆炸，所以每个电容器都接入阻尼保护元件进行故障隔离。通过选择合适的能量分配电感和阻尼保护元件的参数，使之既能在正常工作下保证高能脉冲形状及能量传输效率，又能在故障状态下有效的保护电容器及设备的安全。

经过对正常工作及故障情况反复模拟计算选择了一组更佳参数，即能量分配电感参数为（40uH，2 mW），单个保护电感参数为（73uH，112 mW）。表1为能量分配电感与阻尼电感值与各种故障电流的关系(其中故障情况储能电容量4400uF，充电电压23.5kV)。

Table 1 Relationship between all kinds of fault current and values of the energy distributing inductance and the damped inductance

表1 能量分配电感与阻尼电感值与各种故障电流的关系

考虑到电容器寿命问题，电容器每次储能时间不宜过长，为确保放电异常时（如氙灯不能导通），电容器储存的电荷能很快完全放光以保证人身及器件安全，故设计了安全泄放电路。安全泄放单元由泄放电阻、真空开关、直流继电器串联而成。充电时真空开关受控断开，在紧急停机及放电完毕后，真空开关释放闭合，储能电容器通过泄放电阻放电，放电电流通过直流继电器被检测，使得充电联锁接点闭合，控制充电机使其不能误充电。为了提高电路的安全系数，泄放电路采用双开关、双放电电阻的布置方法。

2.2充电模块

充电模块采用零电流软开关的串联谐振变换器形式，充电机更大功率为50KW，充电电压的精度优于±0.5%。充电模块电路组成框图如图3: 由于充电机的负载是一个大电容，当电压由零充至设定值的过程中，电源的负载阻抗亦由零升至更大值，特别是在充电的开始阶段，负载相当于短路。故充电方案选取具有抗负载短路能力的零电流高频变换器电路形式。该电路形式简单可靠 、控制方便，充电精度较高。由于串联谐振回路特性阻抗的存在，变换器具有抗负载短路的固有能力。开关管每工作一次，储能电容上电压就升高一点。由理论分析和实验波形可以验证：当开关频率小于或等于回路谐振频率fr=一半时，串联谐振变换器具有恒流功能，负载电容上电压线性增长。同时此电路中开关管的开启和关断均在电流过零时刻，开关损耗大大降低，电路的变换效率明显提高，并且电路产生的电磁干扰（EMI）也明显减小，使得整个电源工作安全可靠。

Fig.3 Configuration of the charging module

图3  充电模块电路组成框图

图4为充电机主回路原理示意图。根据供电电压及充电机输出功率,开关管选用耐压1200V、电流400A的单管IGBT。1200V的IGBT开关性能较好，开关频率能做得较高（大于15kHZ）。这样不但无音频噪音，还可相应减小电感﹑变压器体积，提高稳定度和降低输出纹波。

为减少系统故障时，储能电容所产生的反压对充电机的影响，参见图4，在充电机的输出端串有电阻R01、R02、二极管D1组成的保护网络。其中R02主要限制反向电流的大小，并能承受较高电压不击穿，不拉弧。D1用来对充电机的输出端反压进行箝位，D1的反向耐压大于30KV，正向耐电流大于200A。而R01则进一步限制通过充电机高压变压器次级高压整流二极管的电流。

Fig.4 Schematic diagram of main circuit in charging module

图4  充电机主回路原理示意图

2.3开关模块

开关模块包括触发器单元及引燃管。

触发器单元是为开关管提供高压触发脉冲，其输出脉冲参数表如表2。

Table 2 Working parameters of the trigger pulse from trigger of ignitron

表2. 引燃管触发器输出脉冲工作参数表

引燃管触发器具有两种触发工作方式：本控（本机面板控制，供维修时使用）、中心机控制。触发器输出变压器初级与次极线圈间的绝缘能承受＞60kV的脉冲高压。为提高系统的可靠性, 触发器分机在充电机充电时处于被锁状态, 当充电完毕后，系统自动解锁处于等待触发状态。

2.4控制模块

控制模块主要由内控组件及放电电流波形采集单元组成。

内控组件采用西门子S7－300型可编程逻辑控制器（PLC），西门子S7－300型PLC便于组网并具有高电磁兼容性和抗振动、冲击性能，特别适合于大型工控系统，在能源 、电力 、冶金 、高能加速器等行业有广泛的应用。它工作可靠，调试修改十分方便，能源组件内部控制全部由PLC完成。它本身具有通信接口，可以与中心控制计算机进行信息交换。

PLC由CPU、信号输入部分、信号输出部分与通讯部分组成。CPU是PLC的核心单元，实现控制程序的存储、运行及与控制台的通讯联络功能。信号输入部分用来接收来自本组件内各部分的故障及指示信号。信号输出部分受控产生的触点信号送充电机和触发器完成相应的控制。本地通讯单元实现与波形采集单元进行RS485通讯。

放电电流波形采集单元的功能是将电流采集线圈获取的十路放电电流信号及一路地电流信号采集并处理，并送PLC保存，供远程计算机读取及显示。氙灯电流波形采集单元能够充当示波器的角色，直观的对整个回路的工作情况进行监测。操作人员可以通过对氙灯电离波形的监测，以确定能否进行激光系统联合试验。

电流波形采集使用一个外同步信号，对各路电流波形经过采集仪进行采样保持、A/D转换，存储后通过光纤送中心机处理、显示、储存、故障判断及分析等。电流波形采集原理框图如图5。根据系统的特殊要求，即快速且高精度的采集多组氙灯负载电流波形，为此在硬件上选用DSP和CPLD作为核心CPU，高速多通道14位同步采样芯片作为A/D转换芯片。CPLD主要完成对A/D转换芯片工作过程的控制。DSP则负责对采集的数据进行处理以及与中心计算机的通信。

  Fig.5 Configuration of current waveform acquisition

图5  电流波形采集原理框图

3 能源组件结构设计

依据电路安排，并兼顾到装拆维修及加工制造的可行性，将能源组件设计为三只单元柜,并各自单独屏蔽。外形尺寸约为宽4000mm*高3610mm*深1700mm。机柜正面、背面及右侧面均安装门板，以方便安装维修，机柜门用铰链固定。上盖板和左侧板用螺钉固定，也可拆卸。

由于本能源组件是一个高电压、强电流的装置，在充放电的过程中将产生较强的电磁场，因而电磁兼容设计显得尤为重要，否则电路极易受干扰而无法正常工作。为此组件主体外部采用整体封闭式屏蔽设计，所有门板与机柜接触处都嵌装金属丝网屏蔽条，以得到良好的电磁屏蔽效果。所有进出屏蔽壳内的控制触发连锁信号屏蔽滤波并与外部噪声环境在电气上隔离。组件采用单点接地，以保证能源组件的更大故障电流自成回路以减少不可避免的地回路影响。图6为能源组件外形示意图。

Fig.6 Outline sketch of power module

图6 能源组件外形示意图

4 试验结果

按照以上设计思路生产的能源组件已于2008年8月在用户现场安装调试，并通过验收。在预、主充电电压达到额定值时，在系统同步机的触发下，预、主引燃管导通，在一路氙灯回路中串入专用电流互感器，记录下回路电流如图7。

Fig.7 Current waveform of one xenon-lamp circuit

图7 回路放电时的一路氙灯电流波形

 图7中CH1表示的是电流波形，前部幅值小的是预电离部分，幅值高的是主电离部分，电流峰值约25.9KA（1V=1KA），放电时间持续约1ms。

5 结束语

文中介绍的能源组件是高功率激光器系统的一个重要组成部分，具有重要的工程应用前景。该能源组件储能很大、各项技术指标要求较高。经过项目组在以往类似产品基础上的优化设计，使其进一步具有电路合理可靠、操作维护简便、抗干扰性能好等特点。在通过测试验收后的较长时间运行中，其安全可靠性及各项性能得到用户的好评。

参考文献

［1］张国威。可调谐激光技术。国防工业出版社。2001.01

［2］ 李网生,徐功潜。使用零电流开关的电容器充电电源。现代雷达，第19卷，第5期，1997.10,PP98-104。

Development of a High Power Module For Laser System

Abstract:  Development of a high power module for Laser System is described which consists of energy storage module, charger module, switching module and control module. The power module can afford an appropriate energy impulse including waveform, amplitude and synchronal precision for ten series pairs of xenon-lamps on Laser System. The module is characterized by reliable circuit, exact intuitionistic data acquisition and good anti-EMI ability. Specially, engineering application of ZCS high-frequency convertor as capacitor-charging power supply improves the reliability of the power module.

Key words:  power module, ZCS high-frequency convertor, data acquisition, xenon-lamp