基于SG3525的半橋式激光電源設計

　　波長(cháng)為9～11 μm的CO2激光器因其效率高、光束質(zhì)量好、功率范圍大(幾瓦～幾萬(wàn)瓦)、能連續輸出又能脈沖輸出、運行費用低等眾多優(yōu)點(diǎn)成為氣體激光器中最重要的、用途最廣的一種激光器。它在材料加工、醫療、科學(xué)研究、檢測、國防等方面有廣泛應用。CO2激光器是一種混合氣體激光器。CO2為激光物質(zhì)，其他氣體如He、N2、CO、Xe、H2O、H2、O2等都是輔助氣體。它們的作用都是為了增強激光輸出[1]。

激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)激光器裝置的效率。典型的PWM 變換器式高頻開(kāi)關(guān)電源有單端激勵、推挽、半橋、全橋4種形式[2]。其中半橋具有結構簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)管承受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等優(yōu)點(diǎn)[3]，變壓器初級在整個(gè)周期中都流過(guò)電流，磁芯利用充分，且沒(méi)有偏磁的問(wèn)題，所使用的功率開(kāi)關(guān)管耐壓要求較低，開(kāi)關(guān)管的飽和壓降減少到了最小，對輸入濾波電容使用電壓要求也較低[4]。因此，半橋拓撲是中小功率激光器電源常用的結構。
本文采用SG3525作為控制芯片，設計了使用脈沖變壓器隔離驅動(dòng)IGBT的一種新式激光電源。在此電源中，脈沖變壓器工作于差分輸入方式。文章詳細給出了電源的工作原理、驅動(dòng)保護電路的設計。實(shí)驗結果驗證了設計的有效性和電源的高可靠性。

1 電源系統
1.1 主電路拓撲及其控制方案
　　主電路如圖1所示。L1～L4、C1、C2構成網(wǎng)路濾波電路，R為熱敏電阻，限制系統上電和逆變啟動(dòng)瞬間的浪涌電流。Q1、Q2為IGBT，與無(wú)感電容C3、C4構成逆變電路，Q1、Q2的導通時(shí)序如圖2。在T1～T2階段，Q1導通，電容C3經(jīng)由Q1、T、Cg放電，同時(shí)對C4進(jìn)行充電。T2～T3階段，為死區時(shí)間，Q1、Q2均截止。在T3～T4階段，Q2導通，工作原理與T1～T2階段相同，電流方向相反。T4～T5階段與T2～T3階段相同。這樣在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內在高壓包初級端上形成15 kHz的交變方波。經(jīng)過(guò)升壓整流后向激光管提供連續電壓，通過(guò)調節開(kāi)關(guān)管的占空比，可改變高壓包次級輸出平均電壓。Q1、Q2的耐壓值應大于2×160 V，電流應大于3×Pout/160。本設計中要求激光器最大輸出功率為180 W，假設能量轉換效率為20%，則Pout=900 W，所以Q1、Q2電流應為16.875 A?？紤]開(kāi)關(guān)管的質(zhì)量與變壓器輸入電壓的偏差，選取額定電流大于20 A，采用FGA25N120ANTD[5]。

　　為防止兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間不對稱(chēng)引起高壓包偏磁和直流磁飽和，在電路中串入隔直電容Cg來(lái)自動(dòng)平衡變壓器一次電壓側的直流分量。
圖1中，對R1、R2取相同電阻值作為平衡電阻可使C1與C2充電電壓相等，同時(shí)構成CX的放電電路。RX1、CX1、RX2、CX2構成吸收電路，用來(lái)吸收高頻尖峰。H為霍爾電流傳感器，其輸出FK與主回路電流大小成正比例關(guān)系，本設計中選用CSK7-10A，額定電流為10 A，額定輸出為4 V。FK作為反饋信號連接至CA3140同相端。該傳感器不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，且具有較高的測量精度。
本設計中，驅動(dòng)電路包括驅動(dòng)與過(guò)流診斷處理兩部分。
1.2 控制電路
　　控制電路以SG3525+CA3140為核心，采用恒頻脈寬調制控制方式，輸出功率外部(WT)可調，且外部調節信號變化范圍為0～5 V，如圖3。

外部調節信號WT與霍爾電流傳感器反饋信號FK分別輸入運放CA3140同相與反相端，形成差分輸入。經(jīng)CA3140放大后輸出至R11，結果為：

其中RZ1=R6//C13，RZ2=R7//C11。
SG3525的誤差放大器構成射極跟隨器，這樣使得反饋信號比較精確，能精確地控制占空比調節輸出電壓，提高了穩壓精度。SG3525芯片振蕩頻率的設定范圍為15 kHz～20 kHz，其振蕩頻率可表示為：

式中：CT、RT分別是與管腳5、管腳6相連的振蕩器的電容和電阻，Rd為放電端電阻值，與管腳7相連。CT、RT、Rd分別為圖中的C14、R12、R13，取值分別為3 300 pF、10 kΩ、1 kΩ，頻率為15.4 kHz。由于管腳5與管腳7之間放電電阻R12的存在，使得兩路輸出信號之間存在一定的死區時(shí)間，從而避免同一橋臂的IGBT出現直通的現象。死區時(shí)間由R12與C14共同決定，即：

管腳8接一個(gè)電容來(lái)實(shí)現軟啟動(dòng)，該電容由內部5 V基準參考電壓的50 μA恒流源充電，使占空比由小到大(50％)變化， 減少了開(kāi)機時(shí)對IGBT的沖擊。
通過(guò)外部信號調節可將激光器輸出調至所需功率，在調節過(guò)程中FK與WT構成差分輸入，隨著(zhù)WT對脈沖寬度進(jìn)行調節。當WT不再進(jìn)行調節時(shí)，FK開(kāi)始調節脈沖寬度。主電路中電流增大時(shí)，FK增大，由于WT不變，差分放大器的輸出電壓減小，使得SG3525輸出脈沖的寬度減??；當主電路電流減小時(shí)，FK減小，差分放大器輸出電壓增大，SG3525輸出脈沖寬度增大。如此可使激光器得到穩定功率輸出。
1.3 驅動(dòng)及保護電路
　　驅動(dòng)電路采用脈沖變壓器驅動(dòng)隔離電路。SG3525的輸出經(jīng)過(guò)推挽電路后，兩路相位相反的脈沖波加至脈沖變壓器原邊的兩端構成差分輸入，形成交變驅動(dòng)，兩路隔離的輸出分別經(jīng)二極管整流后驅動(dòng)IGBT。驅動(dòng)電路如圖4所示，其中，G1、E1和G2、E2分別接Q1柵極、發(fā)射極和Q2柵極、發(fā)射極。

當同名端脈沖電壓為正時(shí)，驅動(dòng)信號G1為高電平，Q1導通，由三極管Q7構成的泄放電路截止；D19、D20截止，G2為低電平，Q2截止，同時(shí)Q8導通，可快速泄放Q2柵極電壓，加速Q2截止。當同名端脈沖電壓為負時(shí)，D14、D15截止，G1為低電平，Q1截止，同時(shí)Q7導通，可快速泄放Q1柵極電壓，加速Q1截止；驅動(dòng)信號G2為高電平，Q2導通，由三極管Q8構成的泄放電路截止。
R31、R43用于抑制IGBT驅動(dòng)脈沖的尖峰，R29//C23、R41//C27可以防止驅動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。IGBT柵極電壓波形如圖5中波形2所示。

由圖中可看出，由于關(guān)斷時(shí)驅動(dòng)信號電壓為負電壓，可使開(kāi)關(guān)管迅速關(guān)斷，防止開(kāi)關(guān)管誤導通，使電源更可靠地工作。
在激光器中采用了過(guò)流保護、虛假過(guò)流屏蔽、過(guò)熱保護等。過(guò)流保護即在驅動(dòng)電路中A(G1)、B(E1)點(diǎn)之間加入如圖6所示過(guò)流保護電路[7]。IGBT正常導通時(shí)A點(diǎn)電壓為15 V，穩壓管DW1(選用C3V0)反向擊穿穩壓為3.0 V，DW2(選用C6V8)未擊穿，此時(shí)D點(diǎn)電壓低于E點(diǎn)電壓，光耦P521不導通，Q9截止，輸出信號為低電平。當負載短路等發(fā)生過(guò)流現象時(shí)，由于CE極間電壓Uce上升很多，使得D17反向截止，D點(diǎn)電位升高，當D點(diǎn)電位大于DW2反向擊穿電壓時(shí)，DW2將D點(diǎn)電位穩定在6.8 V，此時(shí)，光耦P521導通，電容C26通過(guò)R35充電，F點(diǎn)電位開(kāi)始升高。若光耦持續導通時(shí)間大于C26充電時(shí)間，當C26的充電電壓達到擊穿穩壓管DW3的電壓，使三極管Q9飽和導通輸出高電平，觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器鎖定過(guò)流指示信號，送至SG3525的10腳封鎖PWM脈沖信號和實(shí)現故障保護動(dòng)作。若是虛假過(guò)流，在Q9飽和導通前光耦截止，不會(huì )觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器，電路自動(dòng)恢復到正常工作狀態(tài)。C26充電時(shí)間由R35、C26決定。

過(guò)熱保護通過(guò)在IGBT散熱片上安裝溫控開(kāi)關(guān)與過(guò)流信號并聯(lián)接至SG3525的10腳。當過(guò)熱導致溫控開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或者發(fā)生過(guò)流現象時(shí)，10腳電平變?yōu)楦唠娖綇亩P(guān)閉PWM輸出。
上述激光器結構簡(jiǎn)單，成本較低，驅動(dòng)可靠，設備在滿(mǎn)負荷下能長(cháng)期穩定運行，已成功用于激光切割技術(shù)。實(shí)踐證明，該電源配合激光管后功率可調，故障率低，能保證激光器長(cháng)期穩定運行。