高功率激光器能源組件的研制

關鍵詞  能源組件 零電流高頻變換器 數據采集 氙燈

中圖分類號: TN248.1             文獻標識碼:A

我們研制的能源組件是某高功率激光器系統的一個重要組成部分，功能是為激光源提供合適的高能量脈沖。每臺能源組件使用40臺金屬膜自愈式高儲能密度電容器并聯作為儲能元件，開關輸出經過50m 高壓電纜連到氙燈,為10路氙燈提供泵浦能量。能源組件由充電、儲能、開關及控制四個單元模塊組成。

1 能源組件總體設計

每個能源組件主要包括充電、儲能、開關及控制四個模塊,采用儲能電容器單端接地的總體技術方案，能源組件內部組成框圖及主回路電路原理簡圖分別如圖1、圖2。

Fig.1 Configuration of the power module

圖1  能源組件內部組成框圖

Fig.2 Schematic diagram of main circuit in power module

圖2 能源組件主回路電路原理簡圖

圖2中，C1-C40為儲能電容，L1-L40為電容器保護電感（繞組有電阻），VE1為開關管，L41-L50為能量分配電感，R1-R2為安全泄放電阻，K1-K2為安全泄放開關，T1為引燃管觸發變壓器。

能源組件主要技術指標如下：

(1) 能源組件儲能：          更大1.2MJ

(2) 組件工作電壓：          23.5kV（更高24kV）

(3) 組件氙燈放電回路路數：  10路（雙燈串聯）

(4) 充電電壓重復精度：      ≤±5‰

(5) 充電時間：             （57±3）s；

(6) 放電脈沖寬度：          510×（1±10％）μs

2 能源組件各單元模塊的設計

2.1儲能模塊

該模塊主要用來安裝儲能電容器組，并受控進行放電，通過能量分配電感形成定形的高能脈沖。儲能電容器組采用40只容量110μF、耐壓25KV的金屬介質型自愈式高壓電容器并聯而成，總容量為4400μF，當電容器組充電至23kV 時儲能約1.2MJ。

由于儲能電容器數量較多、儲能較大，在故障（短路及傳輸電纜擊穿）情況下，對電容器的保護尤為重要。在能源組件的放電回路中，發生概率相對較大、后果較嚴重的故障有：氙燈端部短路、氙燈爆炸、電纜短路、電容器內部擊穿和母線短路故障。前3項故障的主要影響為導致能量分配電感中出現大電流，后兩項故障則導致在保護電感中形成大電流。兩類故障情況均可能導致電感的爆炸，且后者還可能引起電容器的爆炸，所以每個電容器都接入阻尼保護元件進行故障隔離。通過選擇合適的能量分配電感和阻尼保護元件的參數，使之既能在正常工作下保證高能脈沖形狀及能量傳輸效率，又能在故障狀態下有效的保護電容器及設備的安全。

經過對正常工作及故障情況反復模擬計算選擇了一組更佳參數，即能量分配電感參數為（40uH，2 mW），單個保護電感參數為（73uH，112 mW）。表1為能量分配電感與阻尼電感值與各種故障電流的關系(其中故障情況儲能電容量4400uF，充電電壓23.5kV)。

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

表1 能量分配電感與阻尼電感值與各種故障電流的關系

考慮到電容器壽命問題，電容器每次儲能時間不宜過長，為確保放電異常時（如氙燈不能導通），電容器儲存的電荷能很快完全放光以保證人身及器件安全，故設計了安全泄放電路。安全泄放單元由泄放電阻、真空開關、直流繼電器串聯而成。充電時真空開關受控斷開，在緊急停機及放電完畢后，真空開關釋放閉合，儲能電容器通過泄放電阻放電，放電電流通過直流繼電器被檢測，使得充電聯鎖接點閉合，控制充電機使其不能誤充電。為了提高電路的安全系數，泄放電路采用雙開關、雙放電電阻的布置方法。

2.2充電模塊

充電模塊采用零電流軟開關的串聯諧振變換器形式，充電機更大功率為50KW，充電電壓的精度優于±0.5%。充電模塊電路組成框圖如圖3: 由于充電機的負載是一個大電容，當電壓由零充至設定值的過程中，電源的負載阻抗亦由零升至更大值，特別是在充電的開始階段，負載相當于短路。故充電方案選取具有抗負載短路能力的零電流高頻變換器電路形式。該電路形式簡單可靠 、控制方便，充電精度較高。由于串聯諧振回路特性阻抗的存在，變換器具有抗負載短路的固有能力。開關管每工作一次，儲能電容上電壓就升高一點。由理論分析和實驗波形可以驗證：當開關頻率小于或等于回路諧振頻率fr=一半時，串聯諧振變換器具有恒流功能，負載電容上電壓線性增長。同時此電路中開關管的開啟和關斷均在電流過零時刻，開關損耗大大降低，電路的變換效率明顯提高，并且電路產生的電磁干擾（EMI）也明顯減小，使得整個電源工作安全可靠。

Fig.3 Configuration of the charging module

圖3  充電模塊電路組成框圖

圖4為充電機主回路原理示意圖。根據供電電壓及充電機輸出功率,開關管選用耐壓1200V、電流400A的單管IGBT。1200V的IGBT開關性能較好，開關頻率能做得較高（大于15kHZ）。這樣不但無音頻噪音，還可相應減小電感﹑變壓器體積，提高穩定度和降低輸出紋波。

為減少系統故障時，儲能電容所產生的反壓對充電機的影響，參見圖4，在充電機的輸出端串有電阻R01、R02、二極管D1組成的保護網絡。其中R02主要限制反向電流的大小，并能承受較高電壓不擊穿，不拉弧。D1用來對充電機的輸出端反壓進行箝位，D1的反向耐壓大于30KV，正向耐電流大于200A。而R01則進一步限制通過充電機高壓變壓器次級高壓整流二極管的電流。

Fig.4 Schematic diagram of main circuit in charging module

圖4  充電機主回路原理示意圖

2.3開關模塊

開關模塊包括觸發器單元及引燃管。

觸發器單元是為開關管提供高壓觸發脈沖，其輸出脈沖參數表如表2。

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

表2. 引燃管觸發器輸出脈沖工作參數表

引燃管觸發器具有兩種觸發工作方式：本控（本機面板控制，供維修時使用）、中心機控制。觸發器輸出變壓器初級與次極線圈間的絕緣能承受＞60kV的脈沖高壓。為提高系統的可靠性, 觸發器分機在充電機充電時處于被鎖狀態, 當充電完畢后，系統自動解鎖處于等待觸發狀態。

2.4控制模塊

控制模塊主要由內控組件及放電電流波形采集單元組成。

內控組件采用西門子S7－300型可編程邏輯控制器（PLC），西門子S7－300型PLC便于組網并具有高電磁兼容性和抗振動、沖擊性能，特別適合于大型工控系統，在能源 、電力 、冶金 、高能加速器等行業有廣泛的應用。它工作可靠，調試修改十分方便，能源組件內部控制全部由PLC完成。它本身具有通信接口，可以與中心控制計算機進行信息交換。

PLC由CPU、信號輸入部分、信號輸出部分與通訊部分組成。CPU是PLC的核心單元，實現控制程序的存儲、運行及與控制臺的通訊聯絡功能。信號輸入部分用來接收來自本組件內各部分的故障及指示信號。信號輸出部分受控產生的觸點信號送充電機和觸發器完成相應的控制。本地通訊單元實現與波形采集單元進行RS485通訊。

放電電流波形采集單元的功能是將電流采集線圈獲取的十路放電電流信號及一路地電流信號采集并處理，并送PLC保存，供遠程計算機讀取及顯示。氙燈電流波形采集單元能夠充當示波器的角色，直觀的對整個回路的工作情況進行監測。操作人員可以通過對氙燈電離波形的監測，以確定能否進行激光系統聯合試驗。

電流波形采集使用一個外同步信號，對各路電流波形經過采集儀進行采樣保持、A/D轉換，存儲后通過光纖送中心機處理、顯示、儲存、故障判斷及分析等。電流波形采集原理框圖如圖5。根據系統的特殊要求，即快速且高精度的采集多組氙燈負載電流波形，為此在硬件上選用DSP和CPLD作為核心CPU，高速多通道14位同步采樣芯片作為A/D轉換芯片。CPLD主要完成對A/D轉換芯片工作過程的控制。DSP則負責對采集的數據進行處理以及與中心計算機的通信。

  Fig.5 Configuration of current waveform acquisition

圖5  電流波形采集原理框圖

3 能源組件結構設計

依據電路安排，并兼顧到裝拆維修及加工制造的可行性，將能源組件設計為三只單元柜,并各自單獨屏蔽。外形尺寸約為寬4000mm*高3610mm*深1700mm。機柜正面、背面及右側面均安裝門板，以方便安裝維修，機柜門用鉸鏈固定。上蓋板和左側板用螺釘固定，也可拆卸。

由于本能源組件是一個高電壓、強電流的裝置，在充放電的過程中將產生較強的電磁場，因而電磁兼容設計顯得尤為重要，否則電路極易受干擾而無法正常工作。為此組件主體外部采用整體封閉式屏蔽設計，所有門板與機柜接觸處都嵌裝金屬絲網屏蔽條，以得到良好的電磁屏蔽效果。所有進出屏蔽殼內的控制觸發連鎖信號屏蔽濾波并與外部噪聲環境在電氣上隔離。組件采用單點接地，以保證能源組件的更大故障電流自成回路以減少不可避免的地回路影響。圖6為能源組件外形示意圖。

Fig.6 Outline sketch of power module

圖6 能源組件外形示意圖

4 試驗結果

按照以上設計思路生產的能源組件已于2008年8月在用戶現場安裝調試，并通過驗收。在預、主充電電壓達到額定值時，在系統同步機的觸發下，預、主引燃管導通，在一路氙燈回路中串入專用電流互感器，記錄下回路電流如圖7。

Fig.7 Current waveform of one xenon-lamp circuit

圖7 回路放電時的一路氙燈電流波形

 圖7中CH1表示的是電流波形，前部幅值小的是預電離部分，幅值高的是主電離部分，電流峰值約25.9KA（1V=1KA），放電時間持續約1ms。

5 結束語

文中介紹的能源組件是高功率激光器系統的一個重要組成部分，具有重要的工程應用前景。該能源組件儲能很大、各項技術指標要求較高。經過項目組在以往類似產品基礎上的優化設計，使其進一步具有電路合理可靠、操作維護簡便、抗干擾性能好等特點。在通過測試驗收后的較長時間運行中，其安全可靠性及各項性能得到用戶的好評。

參考文獻

［1］張國威?？烧{諧激光技術。國防工業出版社。2001.01

［2］ 李網生,徐功潛。使用零電流開關的電容器充電電源?，F代雷達，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