新闻中心

EEPW首页 > 电源与新能源 > 设计应用 > 基于SG3525的半桥式激光电源设计

基于SG3525的半桥式激光电源设计

作者:时间:2011-08-27来源:网络收藏

  波长为9~11 μm的CO2激光器因其效率高、光束质量好、功率范围大(几瓦~几万瓦)、能连续输出又能脉冲输出、运行费用低等众多优点成为气体激光器中最重要的、用途最广的一种激光器。它在材料加工、医疗、科学研究、检测、国防等方面有广泛应用。CO2激光器是一种混合气体激光器。CO2为激光物质,其他气体如He、N2、CO、Xe、H2O、H2、O2等都是辅助气体。它们的作用都是为了增强激光输出[1]。

是激光装置的重要组成部分,其性能的好坏直接影响整个激光器装置的效率。典型的PWM 变换器式高频开关电源有单端激励、推挽、半桥、全桥4种形式[2]。其中半桥具有结构简单、开关管承受压力小、抗不平衡能力强、不易直通等优点[3],变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用充分,且没有偏磁的问题,所使用的功率开关管耐压要求较低,开关管的饱和压降减少到了最小,对输入滤波电容使用电压要求也较低[4]。因此,半桥拓扑是中小功率激光器电源常用的结构。
本文采用作为控制芯片,设计了使用隔离驱动IGBT的一种新式。在此电源中,工作于差分输入方式。文章详细给出了电源的工作原理、驱动保护电路的设计。实验结果验证了设计的有效性和电源的高可靠性。

1 电源系统
1.1 主电路拓扑及其控制方案
  主电路如图1所示。L1~L4、C1、C2构成网路滤波电路,R为热敏电阻,限制系统上电和逆变启动瞬间的浪涌电流。Q1、Q2为IGBT,与无感电容C3、C4构成逆变电路,Q1、Q2的导通时序如图2。在T1~T2阶段,Q1导通,电容C3经由Q1、T、Cg放电,同时对C4进行充电。T2~T3阶段,为死区时间,Q1、Q2均截止。在T3~T4阶段,Q2导通,工作原理与T1~T2阶段相同,电流方向相反。T4~T5阶段与T2~T3阶段相同。这样在一个开关周期内在高压包初级端上形成15 kHz的交变方波。经过升压整流后向激光管提供连续电压,通过调节开关管的占空比,可改变高压包次级输出平均电压。Q1、Q2的耐压值应大于2×160 V,电流应大于3×Pout/160。本设计中要求激光器最大输出功率为180 W,假设能量转换效率为20%,则Pout=900 W,所以Q1、Q2电流应为16.875 A。考虑开关管的质量与变压器输入电压的偏差,选取额定电流大于20 A,采用FGA25N120ANTD[5]。

基于SG3525的半桥式激光电源设计

基于SG3525的半桥式激光电源设计

  为防止两个开关管导通时间不对称引起高压包偏磁和直流磁饱和,在电路中串入隔直电容Cg来自动平衡变压器一次电压侧的直流分量。
图1中,对R1、R2取相同电阻值作为平衡电阻可使C1与C2充电电压相等,同时构成CX的放电电路。RX1、CX1、RX2、CX2构成吸收电路,用来吸收高频尖峰。H为霍尔电流传感器,其输出FK与主回路电流大小成正比例关系,本设计中选用CSK7-10A,额定电流为10 A,额定输出为4 V。FK作为反馈信号连接至CA3140同相端。该传感器不与被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,且具有较高的测量精度。
本设计中,驱动电路包括驱动与过流诊断处理两部分。
1.2 控制电路
  控制电路以+CA3140为核心,采用恒频脉宽调制控制方式,输出功率外部(WT)可调,且外部调节信号变化范围为0~5 V,如图3。

基于SG3525的半桥式激光电源设计


外部调节信号WT与霍尔电流传感器反馈信号FK分别输入运放CA3140同相与反相端,形成差分输入。经CA3140放大后输出至R11,结果为:
基于SG3525的半桥式激光电源设计
其中RZ1=R6//C13,RZ2=R7//C11。
的误差放大器构成射极跟随器,这样使得反馈信号比较精确,能精确地控制占空比调节输出电压,提高了稳压精度。SG3525芯片振荡频率的设定范围为15 kHz~20 kHz,其振荡频率可表示为:
基于SG3525的半桥式激光电源设计
式中:CT、RT分别是与管脚5、管脚6相连的振荡器的电容和电阻,Rd为放电端电阻值,与管脚7相连。CT、RT、Rd分别为图中的C14、R12、R13,取值分别为3 300 pF、10 kΩ、1 kΩ,频率为15.4 kHz。由于管脚5与管脚7之间放电电阻R12的存在,使得两路输出信号之间存在一定的死区时间,从而避免同一桥臂的IGBT出现直通的现象。死区时间由R12与C14共同决定,即:
基于SG3525的半桥式激光电源设计
管脚8接一个电容来实现软启动,该电容由内部5 V基准参考电压的50 μA恒流源充电,使占空比由小到大(50%)变化, 减少了开机时对IGBT的冲击。
通过外部信号调节可将激光器输出调至所需功率,在调节过程中FK与WT构成差分输入,随着WT对脉冲宽度进行调节。当WT不再进行调节时,FK开始调节脉冲宽度。主电路中电流增大时,FK增大,由于WT不变,差分放大器的输出电压减小,使得SG3525输出脉冲的宽度减小;当主电路电流减小时,FK减小,差分放大器输出电压增大,SG3525输出脉冲宽度增大。如此可使激光器得到稳定功率输出。
1.3 驱动及保护电路
  驱动电路采用驱动隔离电路。SG3525的输出经过推挽电路后,两路相位相反的脉冲波加至脉冲变压器原边的两端构成差分输入,形成交变驱动,两路隔离的输出分别经二极管整流后驱动IGBT。驱动电路如图4所示,其中,G1、E1和G2、E2分别接Q1栅极、发射极和Q2栅极、发射极。

基于SG3525的半桥式激光电源设计


当同名端脉冲电压为正时,驱动信号G1为高电平,Q1导通,由三极管Q7构成的泄放电路截止;D19、D20截止,G2为低电平,Q2截止,同时Q8导通,可快速泄放Q2栅极电压,加速Q2截止。当同名端脉冲电压为负时,D14、D15截止,G1为低电平,Q1截止,同时Q7导通,可快速泄放Q1栅极电压,加速Q1截止;驱动信号G2为高电平,Q2导通,由三极管Q8构成的泄放电路截止。
R31、R43用于抑制IGBT驱动脉冲的尖峰,R29//C23、R41//C27可以防止驱动脉冲产生振荡。IGBT栅极电压波形如图5中波形2所示。

基于SG3525的半桥式激光电源设计


由图中可看出,由于关断时驱动信号电压为负电压,可使开关管迅速关断,防止开关管误导通,使电源更可靠地工作。
在激光器中采用了过流保护、虚假过流屏蔽、过热保护等。过流保护即在驱动电路中A(G1)、B(E1)点之间加入如图6所示过流保护电路[7]。IGBT正常导通时A点电压为15 V,稳压管DW1(选用C3V0)反向击穿稳压为3.0 V,DW2(选用C6V8)未击穿,此时D点电压低于E点电压,光耦P521不导通,Q9截止,输出信号为低电平。当负载短路等发生过流现象时,由于CE极间电压Uce上升很多,使得D17反向截止,D点电位升高,当D点电位大于DW2反向击穿电压时,DW2将D点电位稳定在6.8 V,此时,光耦P521导通,电容C26通过R35充电,F点电位开始升高。若光耦持续导通时间大于C26充电时间,当C26的充电电压达到击穿稳压管DW3的电压,使三极管Q9饱和导通输出高电平,触发后接R-S触发器锁定过流指示信号,送至SG3525的10脚封锁PWM脉冲信号和实现故障保护动作。若是虚假过流,在Q9饱和导通前光耦截止,不会触发后接R-S触发器,电路自动恢复到正常工作状态。C26充电时间由R35、C26决定。

基于SG3525的半桥式激光电源设计


过热保护通过在IGBT散热片上安装温控开关与过流信号并联接至SG3525的10脚。当过热导致温控开关断开或者发生过流现象时,10脚电平变为高电平从而关闭PWM输出。
上述激光器结构简单,成本较低,驱动可靠,设备在满负荷下能长期稳定运行,已成功用于激光切割技术。实践证明,该电源配合激光管后功率可调,故障率低,能保证激光器长期稳定运行。

霍尔传感器相关文章:霍尔传感器工作原理


霍尔传感器相关文章:霍尔传感器原理
脉冲点火器相关文章:脉冲点火器原理
脉宽调制相关文章:脉宽调制原理
激光器相关文章:激光器原理
激光二极管相关文章:激光二极管原理


评论


相关推荐

技术专区

关闭