引言

　　如今，激光技術(shù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟中占據(jù)著越來越重要的地位，于是激光器的使用壽命也就顯得格外重要。氦氖激光器被廣泛應用在精密計量、準直、導航、全息照相、通信、激光醫(yī)學等方面。在激光器加速壽命的試驗中，準確數(shù)據(jù)采集的重要保證就是激光管電流的穩(wěn)定是而激光管的電流能否穩(wěn)定關(guān)鍵在于電源的輸出能否穩(wěn)定。

　　本文所設計的氦氖激光電源采用兩個半橋逆變器輸入、并聯(lián)輸出串聯(lián)的方式為激光器提供擊穿電壓，單個逆變器可為激光管提供正常工作的電壓，采用電壓電流的雙環(huán)控制策略使得激光管輸出電流穩(wěn)定。

　　1 電路設計與工作原理

　　高壓直流輝光放電激勵是氦氖激光器的主要激勵方式，為了使激光管進入正常的輝光放電狀態(tài)，其兩端的電壓必須達到擊穿電壓。激光管擊穿后，電源還應該能保證放電管正常的工作電壓和電流。對于250 mm氦氖激光管，其擊穿電壓約為5 kV，正常工作電壓約為1 800 V。氦氖激光高壓模塊電源的功率電路和采集反饋回路如圖1所示。

　　圖中C10、C11、VT1、VT2和T1構(gòu)成半橋逆變器1；C12、C13、VT3、VT4和T2構(gòu)成半橋逆變器2。兩個半橋逆變電路采用輸出串聯(lián)的方式提供激光管的擊穿電壓，繼電器K1控制半橋逆變器2的工作。電路開始工作時，控制繼電器K1閉合，此時兩個半橋逆變器同時工作，其輸出經(jīng)過整流濾波后，再串聯(lián)為激光管提供擊穿電壓。當激光管點亮后，控制繼電器K1斷開，半橋逆變器2停止工作，半橋逆變器1的輸出經(jīng)過二極管支路為激光管提供正常工作的電壓。當電路中的負載發(fā)生變化時，采集電路采集的電流信號反饋給控制電路，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比使得激光管工作保持穩(wěn)定。

　　2 電壓電流雙環(huán)控制策略

　　由圖1可知，本文所設計的氦氖激光電源采用了電壓電流雙環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)采集的是電感電流，將逆變器、變壓器和整流濾波看成一個DC-DC變換器，因此圖1可以等效為圖2的形式。

　　雙環(huán)控制分為電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制，其中電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。vCP為電壓補償網(wǎng)絡的輸出，GM（s）為PWM傳遞函數(shù)，Gid（s）為變換器的傳遞函數(shù)，GC（s）為電流補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)，RS為電流采樣網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)，從而可得電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

　　電壓外環(huán)控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

　　所設計的激光電源參數(shù)為：開關(guān)頻率fs=100 kHz，逆變器輸入電壓為200 V～310 V，變壓器匝數(shù)比1:20。激光管正常工作時，電路輸出為1 800 V。電路輸出電流io=6 mA，電感L1=L2=10 mH，輸出電容為C14=C15=220 μF，采樣電阻RS=10 Ω，電流為6 mA時，負載電阻為300 kΩ，PWM波峰峰值為20 V。半橋逆變器可以等效成BUCK變換器。電流和電壓的補償網(wǎng)絡均采用單極點-單零點網(wǎng)絡。電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)的波特圖如圖5所示。

　　曲線1為電壓電流雙環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)，曲線2為電壓電流雙環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。從曲線1可知，雙環(huán)控制時，其穿越頻率為4.32 kHz，在這個頻率下，控制系統(tǒng)的相位裕度達到了65°，幅值裕度也大于0，因此雙環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。在含有電流內(nèi)環(huán)控制的系統(tǒng)中，無論是輸入輸出的波動都會引起電感電流或者功率開關(guān)管的變化，通過電流反饋信號使得控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會像電壓單環(huán)控制型那樣等到電壓變化才起到控制調(diào)節(jié)作用。在雙環(huán)控制系統(tǒng)中，電流控制環(huán)的控制對象為一階積分或者近似為一階積分環(huán)節(jié)，所以電流控制環(huán)有很好的穩(wěn)定性。由于電流控制環(huán)的等效功率級電路是電壓控制環(huán)的控制對象（這是一個單極點型控制對象），因此相位裕度大，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

　　3 電路仿真與驗證

　　利用Multisim 10仿真軟件對硬件電路進行仿真，電路采用電壓電流雙環(huán)控制的模式，電壓和電流的補償網(wǎng)絡均采用單極點-單零點的方式，其電源電壓輸出波形如圖6所示。

　　從圖6（a）中可以看出，電源的輸出電壓波形可以滿足激光管點亮與正常工作的要求，說明硬件電路設計滿足激光管的要求。電源電路的輸出電壓從0 V上升到5 000 V左右只需要40 ms的時間，上升過程相當快。到達5 000 V左右后，維持60 ms的時間，這個過程用來點亮擊穿激光管。然后輸出電壓立即下降到1 800 V左右，達到激光管的正常工作電壓。當激光管正常工作、電源輸出電壓穩(wěn)定后，如果負載減少一定值，從圖6（b）可以看出電流有波動，但是很快就穩(wěn)定了，電流穩(wěn)定后與前一穩(wěn)態(tài)的值相比誤差很小，說明該激光電源能夠?qū)崿F(xiàn)自動穩(wěn)流。

　　4 結(jié)語

　　通過對激光器電源性能要求的分析，設計了一個基于半橋逆變器輸出串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的氦氖激光器高壓電源，并對電壓單環(huán)控制和電壓電流雙環(huán)控制兩種控制策略進行了討論和比較，得出了電壓電流雙環(huán)控制更利于激光器穩(wěn)定工作的結(jié)論。與其他電源相比有結(jié)構(gòu)簡單、控制方式容易、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，這對于氦氖激光管加速壽命試驗中有重要意義。