CO2激光器高压脉冲触发系统的设计

张兴亮，郭立红，张传胜，孟范江

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春13OO33；2.中国科学院研究生院，北京1OOO39）

CO2激光器高压脉冲触发系统的设计

张兴亮1，2，郭立红1*，张传胜1，孟范江1

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春13OO33；2.中国科学院研究生院，北京1OOO39）

为了稳定可靠地触发CO2激光器旋转火花开关，设计了一套高压脉冲触发系统并且提出了一种新型的绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动与保护方法。根据CO2激光器中旋转火花开关的触发结构，应用复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片EPM3512开发了可以输出1OO～5OOHz重频脉冲信号以及单次脉冲信号的触发信号源；应用光耦HCPL-312O设计了具有过流、过压保护功能兼有电磁兼容（EMC）设计的IGBT驱动电路；对高压脉冲变压器进行建模并通过PSPICE软件仿真；搭建了实验平台，进行了联机性能测试。实验结果表明：在5OOHz的重复频率下，高压脉冲触发系统可连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲，基本满足CO2激光器的旋转火花开关稳定可靠触发的要求。

CO2激光器；火花开关；绝缘栅双极晶体管；脉冲变压器

1 引 言

近年来，CO2激光器在工业加工、航天、国防等领域的应用日益广泛。CO2激光器属于高压电脉冲激励型激光器，其主要工作过程是对高压电容器组反复充放电，其中脉冲形成电路中的大功率开关是核心关键部件。大功率开关通常采用闸流管或火花开关，由于具有导通功率大、放电速度快的优点，火花开关在大功率CO2激光器中得到了广泛的应用[1-6]。中科院长春光机所的大功率CO2激光器采用旋转火花开关作为放电开关，由高压脉冲触发系统控制旋转火花开关的导通与关断。在高气压、高电压下工作的旋转火花开关对高压脉冲触发系统的输出脉冲提出了严格的要求。高压脉冲触发系统工作的稳定性和可靠性直接影响旋转火花开关的稳定性和可靠性，继而严重影响CO2激光器的稳定性和可靠性。

旋转火花开关放电时电磁干扰非常强烈[7]，高压脉冲触发系统工作的电磁环境条件非常恶劣，因此，电磁兼容（EMC）设计十分重要。

在大功率CO2激光器的工程研究中，激光器的工作气压、工作电压不断提高，从而对控制旋转火花开关的高压脉冲触发系统提出了更高的要求。为了满足大功率CO2激光器的工程研究的需要，本文设计了一套高压脉冲触发系统。

2 高压脉冲触发系统的组成结构

旋转火花开关在CO2激光器中的作用如图1所示，旋转火花开关主要由高压电极、接地电极和旋转的触发电极组成。当脉冲CO2激光器工作时，触发系统产生的高压尖峰电压施加到触发电极，开关上下电极间隙中的气体被迅速击穿形成短路，继而引发主放电电极放电[8]。图1为CO2激光器主回路充放电回路。

图1 CO2激光器主回路充放电回路Fig.1 Charge-discharge circuit ofmain circuit of CO2laser

其中：L1为主放电回路分布电感；L2为主储能电容充电电感；L3为预电离电容充电电感；C1为主储能电容；C2为预电离电容；C3为锐化电容；SG1为旋转火花开关；SG2为预电离火花间隙。

根据旋转火花开关工作在较高气压（O.O8～O.14 MPa）的要求，所需高压脉冲触发系统的技术参数如下：

脉冲电压幅值：≥38 kV；

脉冲宽度：≤12Oμs；

重复频率：1OO～5OOHz；单次。

高压脉冲触发系统主要由电源、脉冲信号源、IGBT功率管驱动与保护电路和高压脉冲变压器等部分组成。高压脉冲触发系统的组成如图2所示。

图2 高压脉冲触发系统的组成Fig.2 Composition of high-voltage pulse trigger system

在图2高压脉冲触发系统的组成中，脉冲信号源采用CPLD芯片EPM3512，可以输出1OO～5OOHz的重频脉冲信号和单次脉冲信号；IGBT驱动与保护电路保证IGBT稳定可靠的工作；高压脉冲变压器实现升压变换，获得满足要求的触发脉冲；对比各个设计模块，IGBT驱动、保护电路和高压脉冲变压器是高压脉冲触发系统的关键。

3 高压脉冲触发系统的设计

3.1 IGBT驱动电路

理想的IGBT驱动电路应具有以下要求：（1）能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；（2）输入输出无延迟并具有电隔离能力；（3）IGBT处于过流状态时，实现IGBT的软关断。

IGBT驱动电路一般采用3种基本形式：直接驱动电路；脉冲变压器隔离驱动电路；光耦隔离驱动电路。其中，光耦隔离驱动电路以其自身的优越性能得到了广泛的应用，本文设计的驱动电路就是采用光耦驱动的电路。

本文设计的驱动电路是基于惠普公司的晶体管驱动芯片HCPL-312O，它控制IGBT的导通、关断，IGBT驱动电路如图3所示。本驱动电路具有过流保护功能，当IGBT集射极发生短路或电流过高时，发射极电压升高，输入运放LM158J 3脚的电压高于2脚，1脚输出高电压，光耦PS25O1导通，光耦PS25O1 4脚输出低电平，则54LSO9输出为低电平，IGBT关断，从而IGBT得到了有效的保护。

图3 IGBT驱动电路Fig.3 IGBT drive circuit

3.2 高压脉冲变压器设计

高压脉冲变压器是触发电路系统中重要的元件，主要作用是通过磁耦合实现能量传递、电压变换、初级和次级电气隔离等[9-11]。旋转火花开关采用高电压工作方式，要求高压脉冲变压器的输出波形上升沿陡、脉宽窄、下降速度快、反冲小。3.2.1 高压脉冲变压器的匝数设计

高压脉冲变压器要求铁芯材料具有较高的磁感应强度增量和较低的剩磁，为此选用了铁基非晶合金材料。铁芯截面参数的选取需要综合考虑磁感应强度的增量、漏感、励磁电感、脉冲波形前沿和顶降等因素。经过优化设计[12-13]，选取环形铁芯，截面为3Ocm2。根据如下公式来确定初、次级匝数。

初级匝数的计算公式为：

式中：N1为初级匝数；U1为峰值脉冲电压（V）；td为脉宽（μs）；Sc为铁芯的截面积（cm2）；ΔB为磁感应强度增量（T）。

脉冲触发系统要求输出脉冲宽度小于12Oμs，实际中按照脉宽为1OOμs进行设计，代入数据得：

代入数据得：N2=15×8O=1 2OO；其中：n为变比，N2为次级匝数；U2为输出峰值脉冲电压（V）。

3.2.2 高压脉冲变压器的分布参数设计

3.2.2.1 高压脉冲变压器简化模型确定

首先分析高压脉冲变压器的工作原理，从理论上确定脉冲波形与变压器结构参数的关系。高压脉冲变压器的等效电路图如图4所示[14]。

图4 脉冲变压器简化等效电路图Fig.4 Equivalent circuit of pulse transformer

其中：R1为脉冲源内阻；Cp为初级回路分布电容；Ls为漏感；Lm为励磁电感；C′s为次级换算到初级的分布电容；R′2为次级换算到初级的负载电阻。

3.2.2.2 分布参数设计

分布参数是脉冲变压器能否实现的关键。根据以往脉冲变压器的输出参数和文献[13]中的相关设计公式，可以计算出漏感Ls=34μH，初级回路电容Cp=3 619 pF，次级回路电容换算到初级电容值C′s=445 nF，变压器励磁电感Lm= 13.5 mH，将计算结果代入仿真模型，运用PSPICE软件仿真[15]，得到脉冲变压器的设计输出波形。脉冲变压器仿真波形如图5所示。

图5 脉冲变压器仿真波形Fig.5 Output waveforms of pulse transformer through simulation

3.3 高压脉冲触发系统的电磁兼容及保护设计

3.3.1 电磁兼容设计

大功率CO2激光器工作时会产生强烈的电磁干扰。在高压脉冲触发系统中，适时地采用了隔离和接地等方法，并使用了滤波器、压敏电阻、TVS等器件，且特殊制作了屏蔽罩，有效地抑制了电磁干扰。

3.3.2 IGBT保护电路

图3显示了IGBT的驱动电路具有过流保护功能。但当旋转火花开关导通后，次级电路电流发生突变，反馈到脉冲变压器初级的电流会突变，又由于脉冲变压器初级电感的续流能力，IGBT集电极将产生很高的尖峰电压和大电流，会导致IGBT损坏。为此设计了IGBT的过压保护电路，如图6所示。RCD电路的工作原理为：当旋转火花开关导通后，IGBT集电极会产生很高的电压和很大的电流，使电容C2迅速导通，经过快速恢复二极管D2把能量释放到大地，从此IGBT得到了可靠的保护。

4 实验过程及结果分析

采用TEK TDS3O52B示波器和PVM-1高压探头对高压脉冲触发系统进行了详细的性能测试。测试点选为高压脉冲变压器的输出电压和旋转火花开关的触发电极，得到如下测试波形（图7～11）。

对比高压脉冲变压器的仿真波形（图5）和实验波形（图7）可知，高压脉冲变压器实际输出的电压波形与通过PSPICE软件仿真设计得到的输出波形基本一致。高压脉冲变压器实际输出的电压波形中的前沿尖峰电压后的瞬间下降是由旋转火花开关的触发放电引起的，高压脉冲变压器实际输出同样有反摆。高压脉冲变压器的设计实践表明：应用PSPICE软件仿真能够理论指导和简化高压脉冲变压器的具体设计，但是，实际制作高压脉冲变压器的工艺缺陷导致输出波形的畸变同样不可避免。

5OOHz重频条件下，触发电极两端电压波形如图8所示。由图9、图1O和图11可见，触发系统在2OO、4OO、5OOHz等重频条件下都能够稳定输出大于38 kV的高压。同时，由图11右侧“Ch1+宽度1O2μs”可以读出触发系统输出脉宽为1O2μs，满足设计指标，触发系统能可靠地触发旋转火花开关。

图8 5OOHz时触发电极电压波形Fig.8 Outputwaveforms of trigger electrode at5OOHz

图9 2OOHz重频下触发系统输出波形Fig.9 Outputwaveforms of trigger system at2OOHz

图10 4OOHz重频下触发系统输出波形Fig.10 Outputwaveforms of trigger system at4OOHz

图11 5OOHz时触发电极电压多周期波形Fig.11 Multi-period output waveforms of trigger electrode at5OOHz

5 结 论

本文根据旋转火花开关稳定可靠触发的要求，设计了一套高压脉冲触发系统，提出了一种IGBT驱动与保护的方法，并介绍了旋转火花开关的工作环境。实验结果表明：在5OOHz重频工作条件下，触发系统输出电压大于38 kV，输出脉宽小于12Oμs，能够可靠触发CO2激光器旋转火花开关，系统的性能和指标满足设计指标的要求。

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Design of high-voltage pulse trigger system for CO2laser

ZHANG Xing-liang1，2，GUO Li-hong1，ZHANG Chuan-sheng1，MENG Fan-jiang1
（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 13OO33，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 1OOO39，China）
*Corresponding author，E-mail：guolh@ciomp.ac.cn

To trigger the rotated spark switch in a CO2laser stably and reliably，a high-voltage pulse trigger system is designed and a new method for driving and protecting Insulated Gate Bipolar Transistor（IGBT）is proposed.According to the trigger structure of rotated spark switch in the CO2laser，a pulsed source which can output1OO-5OOHz repetition-rate pulses and a single pulse is developed with the EPM3512 CPLD chip and the IGBT drive circuit with over-current，over-voltage protection and Electromagnetic Compatibility（EMC）design is proposed by a optocoupler HCPL-312O.Besides，the model of a high-voltage pulse transformer is simulated by PSPICE software.Finally，an experimental platform is buit to test the system performance online.Experimental results indicate that the high-voltage pulse trigger system can output high-repetitionrate pulses higher than 38 kV continuously and stably，which satisfies the requirements of the rotated spark switch in the CO2laser for stability and reliability.

CO2laser；spark switch；Insulated Gate Bipolar Transistor（IGBT）；pulse transformer

TN248.2；TM89

A

1O.3788/CO.2O12O5O4.O416

张兴亮（1986—），男，吉林长春人，硕士研究生，主要从事高压充电电源及脉冲功率技术方面的研究。E-mail：zxliang1987@163.com

郭立红（1964—），女，吉林舒兰人，研究员，博士生导师，主要从事激光对抗、计算机应用、天文惯导等方面的研究。E-mail：guolh@ciomp.ac.cn

1674-2915（2O12）O4-O416-O7

2O12-O2-16；

2O12-O4-15

激光与物质相互作用国家重点实验室研究基金资助项目（No.SKLLIMO9O2-O1）