纳秒级高功率准分子激光器驱动系统研制∗

温立彬，蔡立民，吴 涛，何永春

(国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司，内蒙古 乌兰浩特 137400)

准分子激光器由于具备三高特性(高单色性，高功率以及高稳定性)特点，其输出谱段恰好能覆盖紫外光谱区，使其广泛应用于工业[1]、医疗[2]和科研[3]等领域。其驱动方式一般采用闸流管释放高压储能电容器中的能量来产生快放电激励。但是，准分子激光器重复频率达数千Hz，闸流管的约109次脉冲放电寿命显得有限，加之闸流管的残余振荡等缺点使上述快放电方式不能适应高重复频率应用的需求。

20 世纪90 年代Gontad F 等[4]首次提出用磁脉冲压缩技术来产生大功率脉冲，随后国外对磁开关应用进行了广泛的研究。国内对磁开关研究主要集中在高压除尘设备、加速器系统和延长激光器快放电中的闸流管寿命[5]。在准分子激光技术中，利用功率半导体开关结合磁脉冲压缩开关的方法产生高压快脉冲来替代闸流管，能避免基于闸流管器件的缺点[6]。虽然半导体开关的寿命比闸流管高3 个数量级以上，但是在长期高重复频率条件下性能也存在明显下降。而且，磁开关回路放电产生残余能量振荡，使准分子激光器寿命收到影响[7]。

综上，研制一种纳秒级、高功率准分子激光器驱动系统是十分必要的。利用本文所研制激光器驱动系统对波长为193 nm 的准分子激光器进行驱动实验，发光正常，证明该驱动系统在实际应用中的可行性。

1 驱动系统硬件设计

驱动系统采用反激电路[8]级联双向半桥驱动电路[9]的双级设计，电路总体结构如图1 所示。

图1 电路总体结构

DC/DC 升压阶段采用脉冲宽度调制(PWM)方法控制，由于负载很轻，电路工作在电感电流断续模式(DCM)下，可以获得很大的升压比。驱动阶段能够在一定的频率范围内，产生任意单极驱动信号，并且能够从准分子激光器中回收未使用的电能，提升了系统能效。与其他直流交流转换器相比，半桥驱动结构具有更高的能量转换效率和能量密度。经过简单的控制策略，该拓扑能够输出两个驱动信号，可同时驱动两支准分子激光器。

1.1 DC/DC 升压阶段电路

DC/DC 升压阶段电路是一个反激变换电路，其工作在电感电流断续模式(DCM)，相对于电感电流连续模式(CCM)，具备更高的能量转换效率和更大的升压率等优点。

反激变换电路在一个工作周期里的电压电流波形如图2 所示。

图2 反激变换电路的电压电流波形(DCM 模式)

当开关管Q 导通时(vds＝0)，整流二极D 反向偏置(id＝0)，输出负载电流由输出负载电容提供。变压器等效于一个纯电感，电感电流(im)从零开始线性增加，在t1时刻达到峰值ILP。

当Q 关断时，根据楞次定律，所有的绕组电压在反激的作用下反向，这使输出整流二极管D 变为导通状态，初级侧储存的能量被传递到次级侧提供输出电流并且对输出电容C充电。其中，Lm为变压器等效励磁电感。此时(t1时刻)，＋Vin，电流id从峰值IDP线性下降。其中，Vc为电容C两端电压，Vin为输入电压，n为变压器的匝数比。在t2时刻，id降到0，vds＝Vin。vds电压持续保持到t3时刻。

根据楞次定律，得出DCM 模式下的电压增益:

式中:D为Q 的导通占空比，R为等效负载阻抗，包括后级半桥驱动电路和准分子激光器等效负载。Lm为变压器磁化电感，fs为开关频率。

1.2 DC/AC 半桥驱动电路

半桥驱动电路将前级的高压直流信号转换成高频高压信号用来驱动准分子激光器。利用由一个高品质因数的电感和两个准分子激光器的固有电容组成的半桥逆变电路可以产生任意单极驱动信号。图3 展示了半桥驱动电路的六种工作模式。

图3 半桥驱动电路的工作模式

在模式(a)中，开关QH一旦导通，电感电流iL上升，准分子激光器等效电容C1开始将未使用的能量向低边准分子激光器传递或被电源级回收。若考虑电路中的等效串联电阻，根据基尔霍夫电压定律(KVL)可得:

开关QH一旦关断，模式(a)结束，电感电流iL经由二极管DL续流开始减小。电感和准分子激光器等效电容C2之间开始新的振荡，电路开始分别工作在模式(b)和模式(e)。由基尔霍夫电压定律得:

式中:Vc2(ta)＝Vc代表在时间ta即模式(a)结束时的电压初始状态。在前半个周期的剩余时间里，驱动电压信号继续保持振荡直到稳定到Vc。

在模式(c)，低边准分子激光器已经完全充满电，而高边准分子激光器等效电容C1完全放电，电压为零。驱动信号与Vc相同，所有未使用的能量都从高边传递到低边或被系统回收，从而可以提升系统的能效。

当开关管QL导通，模式(d)开始。同理，低边准分子激光器未使用的能量开始向高边准分子激光器传递，由于低边准分子激光器等效电容C2的放电，电感电流iL开始反向增加，同理计算Vc2得:

当电压Vc2在第一个周期里减小到零时，模式(d)结束。与模式(b)类似，QL关闭后，电感电流经过二极管DH续流，电路分别工作在模式(e)和模式(b)。模式(e)中电容初始电压为零，可以计算得:式中:Vc2(td)＝0 代表初始电压。电感L释放能量对高边准分子激光器等效电容C1充电。振荡结束后，随着电感电流降到零，驱动信号电压稳定在零，直到下一周期开始。

模式(f)与模式(e)类似，当低边准分子激光器等效电容C2的能量全部转移至高边准分子激光器等效电容C1，其被充电至电源电压Vc。

图4 列出了在一个完整的工作周期内的开关脉冲波形(QH和QL)、电感电流iL和输出电压Vc2，电路在工作稳态时，在一个完整周期内的工作顺序为a－b－e－b－c－d－e－b－e－f。模式(a)和模式(d)分别是两个半周期的开始，模式(b)和模式(e)分别是半周期的振荡，模式(c)和模式(f)分别是半周期的电压稳定阶段。

图4 在一个工作周期内的波形

通过向QH和QL发出一系列的控制信号，可以在Vc2产生任意驱动信号波形。与以往驱动方式不同，这种拓扑每个开关周期只传递少量的能量，从而可以使用尺寸较小的电感。

2 驱动电路的优化和仿真

为了实现驱动电路的优化，开发了一系列的MATLAB 脚本作为期望工作区域内电路设计的参数，通过这种方法对电路损耗进行了建模。通过对各项参数的分析，以提升电路性能。

2.1 DC/DC 升压阶段电路优化

对反激变换电路的效率而言，开关频率fs和变压器励磁电感Lm是两个关键的参数[10]。通过改变开关频率fs和励磁电感Lm，测量反激变换电路的效率。采用6 种不同规格的耦合电感的模型脚本进行优化实验，开关频率从40 kHz 到200 kHz 变化，步长为20 kHz。在不同的驱动电压和不同的负载下，同样进行了效率仿真，满载为0.5 kW。

图5 描述了在60%负载和600 V 驱动电压的条件下，反激变换电路效率随不同的变压器励磁电感Lm和开关频率fs变化的趋势。

图5 反激转换效率与开关频率和励磁电感的关系

在恒定的开关频率下，励磁电感越大，转换效率越高。在DCM 的工作状态下，使用较大的励磁电感可以减小电流波动，从而降低磁滞损耗和涡流损耗。在恒定耦合电感的情况下，开关频率对开关损耗和铁损影响很大。当电路在开关频率小于80 kHz 的条件下工作时，大电流波动引起的高磁化力使得铁损占主导。开关频率越高，电流摆动越小，从而降低铁损，提高效率。当工作频率大于80 kHz 时，功率MOSFET 的开关损耗占主导。

由图5 可知，效率仿真中，在60%负载、600 V驱动电压、100 kHz 的开关频率和60 mH 励磁电感的条件下，电路最大效率为81.8%。但在实际中励磁电感的选择需要根据反激变换器的工作模式进行综合选择，当负载比较轻时，电路要想工作在DCM，获得高升压比，应该尽量选择小励磁电感的反激变压器，所以励磁电感选择需要综合考虑各种因素。

图6 给出了当开关频率为100 kHz、励磁电感为60 mH 时，转换效率随输出功率和驱动电压变化的规律。效率是在输出功率范围为0.1 kW～0.5 kW 和驱动电压范围为400 V～1 600 V 的条件下测量的。

图6 反激转换效率与驱动电压和输出功率的关系

在低输出功率时，功率MOSFET 的寄生损耗占主导。然而，当输出功率增加到到某一特定值时，功率MOSFET 的导通损耗以及变压器的铜损开始占主导。在恒定负载条件下，低驱动电压时，由于电流较大，导通损耗占主导地位。在较高的驱动电压下，相应于较小的电流，导通损耗将减小，从而提高效率。当驱动电压超过某一值时，由于大占空比引起的大电流波动，铁损耗成为主导。当驱动电压增大时，铁损耗随电流波动的增大而增大，从而降低效率。

在开关频率100 kHz、励磁电感为60 mH 的工作条件下，最大效率出现在0.3 kW 输出功率和900 V 驱动电压附近。分析表明，在此条件下，最大效率可达到81.8%，变压器效率为91.8%，迟滞损耗、涡流损耗和导通损耗占总损耗的48%。

2.2 DC/AC 半桥驱动电路优化

在半桥驱动电路中，选择一个高品质因数的无源电感，有利于传导损耗的降低。为了获得快速的响应速度和驱动速度，实验中准分子激光器采用脉冲信号作为驱动信号。与其他类型的电压驱动信号相比，脉冲驱动信号在降低传导损耗和简化控制策略方面也具有优势。优化过程中，我们选用L＝15 μH 的电感，谐振周期可以计算得:

式中:C1＝C2＝47 pF 是准分子激光器的最大寄生电容。实际的准分子激光器具有变化的寄生电容，在优化的过程中，我们采用最坏情况的谐振条件，即谐振周期大约为0.6 ns，满足驱动准分子激光器需求。与驱动脉冲持续时间相比，谐振时间要短的多，两个准分子激光器之间的电荷恢复发生在谐振期间，在开关周期的剩余时间，电能则被转化成光能。仿真结果如图7 所示，表明了在理想的工作条件下，效率大约在70%～80%之间。

图7 半桥转换效率与驱动电压和输出功率的关系

3 准分子激光器驱动性能测试

准分子激光器驱动系统实物图如图8 所示。

图8 准分子激光器驱动系统

其可以产生的数字控制驱动电压的指标参数为:最窄驱动脉冲宽度为15 ns，峰值驱动电压为1 000 V，脉冲上升/下降时间约为5 ns，峰值能量转换效率为68.5%。

3.1 最窄驱动脉冲测试

利用本文所研制激光器驱动系统对波长为193 nm 的准分子激光器进行驱动测试，结果如图9 所示。

图9 驱动脉冲波形图

如图9 所示，驱动脉冲宽度为15 ns，驱动电压为1 000 V。定义驱动脉冲宽度为半峰全宽。

3.2 驱动稳定性能测试

利用上述准分子激光器对驱动系统稳定性能进行测试。驱动电压设定值为1 000 V，脉冲宽度为15 ns，得到驱动脉冲真实值、脉宽持续时间以及上升/下降时间测试结果如图10 所示。

如图10(a)所示，10 次驱动电流平均值为1 000.03 V，与平均值相比最大偏差值为1 000.07 V，因此驱动电压稳定性优于4.0×10－5。如图10(b)所示，10 次脉冲持续时间平均值为4.775 ns，与平均值相比最大偏差值为4.785 ns，因此脉冲持续时间稳定度优于2.0×10－3。如图10(c)所示，10 次上升/下降沿时间平均值为5.737 ns，与平均值相比最大偏差值为5.742 ns，因此上升/下降沿时间稳定度优于1.0×10－3。

图10 驱动稳定性能测试结果

3.3 准分子激光器发光测试

利用本文所研制激光器驱动系统对波长为193 nm的准分子激光器进行发光测试，结果如图11 所示。

图11 193 nm 准分子激光器发光光谱

测试中，采用THERMO4700 型傅里叶红外光谱仪扫描其发光光谱，准分子激光器发光光谱中心波长为193 nm，且无其他杂散峰。

3.4 驱动效率性能测试

驱动电路的能效可以简单地表示为[11]:

式中:Pload为负载的平均功率，Pin为平均输入功率。图12 显示了驱动系统在不同负载和不同输出信号频率情况下的效率。

图12 不同频率下效率与负载的关系曲线

测量的负载范围从10%到100%，间隔为10%，三种驱动频率分别为5Hz、10 Hz 和15 Hz。由图可知，在60%负载，5 Hz 驱动频率下，峰值效率为68.5%。

4 结论

针对传统磁脉冲压缩技术产生的大功率脉冲驱动准分子激光器存在驱动脉冲电压幅度控制精度低、能量转换效率低的问题，本文采用反激升压电路与双向半桥驱动电路级联构成双级驱动电路，研制了一种纳秒级、高功率准分子激光器驱动系统。同时，仿真并分析了反激升压电路的励磁电感、开关频率、输出功率和驱动电压等工作条件对系统损耗的影响，并获得优化结果。实验表明，最窄驱动脉冲宽度为15 ns，峰值驱动电压为1000 V，脉冲上升/下降时间约为5 ns，峰值能量转换效率为68.5%，该驱动系统在实际应用中可行。