一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法和充电电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种脉冲氙灯泵浦激光器电源，特别是一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法和充电电路。在非隔离升压充电的基础上采用移相驱动的方式，通过电阻对储能电容进行缓慢充电；缓慢充电后进行快速充电：反馈电路根据储能电容反馈的电压信号输出两个占空比可调的脉冲调制信号即第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号，通过第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号驱动交错并联BOOST电路，使第一电感和第二电感交错工作在电流断续DCM模式，第一电感和第二电感轮流对储能电容进行快速充电。本发明可以使储能电感工作在断续模式，有效的减小了电流纹波，从而减小了开关管的负荷，并延长了储能电容的使用寿命。
【专利说明】—种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法和充电电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种脉冲氙灯泵浦激光器电源，特别是一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法和充电电路。
【背景技术】
[0002]一般地，高功率脉冲固体激光器以闪光氙灯作为泵浦源较多，激光脉冲能量由储存在大容量储能电容内的电能通过氙灯转化为光能再由合适的激光晶体配合谐振腔得到。因此储存电容中能量多少直接影响最终脉冲激光的功率，脉冲氙灯激光器电源的能量转换由下列子系统组成:
[0003]1、交-直流电压转换:这一单元将交流电压转换为弧光灯运转所需要的直流电压。
[0004]2、储能电容:通过交-直流电压转换电路对储能电容器进行充电，将电能能量存储起来然后在每次脉冲中将所储能量转换成泵浦能量。
[0005]3、开关或触发电路:能量通过半导体或机械开关从储能电容器组中可控的转移出来。
[0006]传统的氙灯激光器电源的交-直流电压转换与储能电容充电一般有如下方法:
[0007]A、直接充电。此方法如图1所示，三相电通过整流桥I整流后,通过电阻2给储能电容4慢速充电，当储能电容电压与整流后电压相差比校小时，开关3闭合，对储能电容进行快速充电。
[0008]上述方法简单，元器件少，但是此方法功率因数低，对电网干扰大，当功率比较大时，容易跳闸或烧保险丝，而且不能进行升压无法满足高功率氙灯驱动电压的要求同时充电电压会随电网电压的变化而变化造成激光脉冲能量不稳定。
[0009]B、工频变压器充电:此方法如图3中所示，三相电先通过工频变压器5进行变压然后经过整流桥I整流，通过电阻2给储能电容4慢速充电，当储能电容4电压与整流后电压相差较小时，开关3闭合，对储能电容4快速充电。
[0010]上述方法简单元器件少，但是此方法功率因数低，对电网干扰大，容易跳闸或烧保险丝。当电流过载时变压器磁芯可能饱和，变压器线圈感抗急剧减小电流急剧增大变压器极易烧毁。在方法I的基础上增加变压器后，可以进行升压，但是变压器变比是一个固定值，充电电压会随着电网电压的变化而变化影响最终激光能量的稳定性。
[0011]C、非隔离升压充电法(BOOST):如图3所示，刚开机时，闭合开关第一开关6，通过电阻2 (限流作用)对储能电容4进行慢充电，当储能电容4中电压和三相整流后的电压相差较小时，断开第一开关6，闭合第二开关7，反馈控制电路9输出脉冲调制信号，通过驱动器8控制开关管11的通断，进行非隔离升压充电。
[0012]上述充电方法有升压功能，充电电流峰值自动受三相正弦交流电压限制从而提高了功率因数。如果工作于储能电感10电流连续CCM模式，储能电感10容量将大大增加，造成电感本身损耗加大、体积、重量、导线直径成比例增加；同时电感电流连续模式会使反馈控制环路的设计变得非常复杂容易产生自激振荡；续流二极管12存在严重的反向恢复问题，加大了 IGBT驱动器8和续流二极管12的负荷并产生强电磁干扰，对于常规的功率因素矫正器PFC来说可以采用超快速恢复二极管或碳化硅二极管来减小甚至消除该问题，但脉冲氙灯电流由于后续接有脉冲放电电路，该部分电流峰值可达到数百甚至数千安培，现有技术无法同时满足高电流与反向恢复时间的要求。如果工作于储能电感电流断续DCM模式，储存电感10、开关管11和续流二极管12中的会有很大的电流峰值，该电流峰值对储存电容4进行充电时会形成较大的电压纹波。电压纹波会影响之后放电部分的电流稳定度、降低可靠性；纹波电流还会造成储能电容发热缩短使用寿命和电容量逐渐缩小的问题。开关管11的选型也会比较困难，为了满足电流容量的需求可能需要使用多个开关管并联使用需要满足器件的瞬态均流要求，对于某些IGBT驱动器由于存在负温度效应无法使能多管并联的方式扩大电流容量。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提供一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法和充电电路，它在原有非隔离升压充电法中通过移相驱动的方式驱动交错并联BOOST电路，使储能电感工作在断续模式，有效的减小了电流纹波，从而减小了开关管的负荷，并延长了储能电容的使用寿命。
[0014]对于本发明的脉冲氙灯电源储能电容的充电方法来说，上述技术问题是这样解决的:在非隔离升压充电的基础上采用移相驱动的方式，通过电阻对储能电容进行缓慢充电；
[0015]缓慢充电后进行快速充电:反馈电路根据储能电容反馈的电压信号输出两个占空比可调的脉冲调制信号即第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号，通过第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号驱动交错并联BOOST电路，使第一电感和第二电感交错工作在电流断续DCM模式，第一电感和第二电感轮流对储能电容进行快速充电。
[0016]所述的储能电容为多个电容以串并联方式组成的电容组。
[0017]进一步的，所述的反馈电路在其时钟脉冲处于正脉宽时输出第一脉冲调制信号，在其时钟脉冲处于负脉宽时输出第二脉冲调制信号。
[0018]进一步的，所述的第一脉冲调制信号输出正脉宽时，第一电感电流增大，所述的第一脉冲调制信号输出负脉宽时，第一电感电流减小，向储能电容充电。
[0019]进一步的，所述的第二脉冲调制信号输出正脉宽时，第二电感电流增大，所述的第二脉冲调制信号输出负脉宽时，第二电感电流减小，向储能电容充电。
[0020]进一步的，所述第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号的占空比均小于50%。
[0021]对于本发明的脉冲氙灯电源储能电容的充电电路来说，上述技术问题是这样解决的:包括整流桥、第一开关、电阻、反馈电路和IGBT驱动器，所述的第一开关连接在电阻与整流桥的正端之间，其特征在于:所述的整流桥正端连接有第二开关，所述的第二开关连接有交错并联BOOST电路，所述的交错并联BOOST电路包括储能电容，所述的储能电容连接在电阻与整流桥的负端之间，所述的反馈电路连接在IGBT驱动器与储能电容的正极之间，所述的IGBT驱动器驱动交错并联BOOST电路。
[0022]进一步的，所述的交错并联BOOST电路还包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第二电感以及第一二极管和第二二极管，所述的第一二级管与第二二极管的阴极均与储能电容的正极连接，所述的第一电感连接在第二开关与第一二极管阳极之间，所述的第二电感连接在第二开关与第二二极管阳极之间，所述的第一开关管漏极与第一二极管阳极连接，源极与整流桥负极连接，所述的第二开关管漏极与第二二极管阳极连接，源极与整流桥负极连接，所述的IGBT驱动器分别与第一开关管和第二开关管的控制端连接。
[0023]进一步的，所述的第一开关管与第二开关管为交错导通。
[0024]进一步的，所述的第一开关管与第二开关管最大导通占空比均不大于50%。
[0025]更进一步的，所述的第一二级管和第二二极管中至少一个为快恢复二极管。
[0026]本发明的有益效果是:本发明的储能电容4的电压可以通过改变电路参数来设置，此电压不会随电网电压的变化而变化能给激光器提供稳定的能量。本发明采用交错，电流断续工作方式，每路开关管中的峰值电流会减小到50%且两个开关管交错导通，单位时间内开关管的关断耗损减小50%，每个开关管的累计耗损减小到了传统非隔离升压充电法的25%，极大了减轻了开关管的负荷。峰值电流减小后充电电流的纹波会减小，带来储能电容4两端纹波电压减小，可以缩减后续的滤波电路，同时，储能电容4的发热也会减小，增加的使用寿命，而由于单个电容器能够承受的最高纹波电流有限，峰值电流减小后储能电容的数量有可能进一步减少，节省了体积与成本。两个电感工作在断续模式，对电感量的需求变小，制作电感的导线可以选择更细的材质，方便缠绕，制作更加方便，且成本更低。二极管中电流不连续，无反向恢复问题，因此可以使用电流容量较大恢复速度较慢的快恢复二极管，这降低了器件选型难度并降低了成本。与传统直接充电和工频变压器充电对比，两个电感的峰值电流与三相输入电压成比例关系，提高了电源功率因素。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为直接充电的电路图；
[0028]图2为工频变压器充电的电路图；
[0029]图3为非隔离升压充电的电路图；
[0030]图4为本发明电路图；
[0031]图5为脉冲调制信号与电感电流对应波形图；
[0032]图中:1—整流桥,2 —电阻,3—开关，4一储能电容，5—工频变压器,6—第一开关，7一第二开关，8—IGBT驱动器,9一反馈控制电路，10一储能电感，11一开关管，12一续流二极管，13—第一电感，14 一第二电感，15—第一开关管，16—第二开关管，17—第一二极管，18—第二二极管。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]如图1为传统脉冲氙灯电源储能电容的直接充电方式，它的三相电通过整流桥I整流后，通过电阻2给储能电容4慢速充电，当储能电容电压与整流后电压相差比校小时，开关3闭合，对储能电容进行快速充电。
[0035]如图2为传统脉冲氙灯电源储能电容的工频变压器充电方式，它的三相电先通过工频变压器5进行变压，然后经过整流桥I整流，通过电阻2给储能电容4慢速充电，当储能电容4电压与整流后电压相差较小时，开关3闭合，对储能电容4快速充电。
[0036]如图3为传统脉冲氙灯电源储能电容的非隔离升压充电方式，它在刚开机时，闭合第一开关6，通过电阻2对储能电容4进行慢充电，当储能电容4中电压和三相整流后的电压相差较小时，断开第一开关6，闭合第二开关7，反馈控制电路9输出脉冲调制信号，通过驱动器8控制开关管11的通断，通过储能电感10对储能电容4进行非隔离升压充电，而续流二极管12则其反向恢复的作用。
[0037]如图4所示为本发明的电路图，它包括整流桥1、电阻2、第一开关6、第二开关7、IGBT驱动器8、反馈控制电路9、以及交错并联BOOST电路，其中交错并联BOOST电路包括储能电容4、第一电感13、第二电感14、第一开关管15、第二开关管16、第一二级管17、第二二极管18。第一开关6与整流桥I的正端连接，电阻2连接在第一开关6与储能电容4的正极之间，储能电容4的负极与整流桥I的负端连接。在整流桥I的正端还连接有第二开关7，第二开关7与储能电容4的正极之间并联连接有第一电感13和第二电感14，第一二极管17的阳极与第一电感13连接，阴极与储能电容4的正极连接，第二二极管18的阳极与第二电感14连接，阴极与储能电容4的正极连接。第一开关管15的漏极与第一二级管17的阳极连接，源极与整流桥I的负端连接，第二开关管16的漏极与第二二极管18的殃及连接，源极与整流桥I的负端连接。第一开关管15与第二开关管16的控制端口均与连接，而反馈控制电路9连接在储能电容4的正极与IGBT驱动器8之间。
[0038]充电时，首先闭合第一开关6，通过电阻2对储能电容4进行慢速充电，当储能电容4的电压达到整流后电压的70%—85%时，本实施例为储能电容4的电压达到整流后电压的80%时，断开第一开关，闭合第二开关。储能电容4将电压反馈回反馈控制电路9，反馈控制电路9根据反馈的电压信息适时发出两个交错且占空比可调的第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号，控制IGBT驱动器8驱动两个开关管的通断，即移相驱动。如图5所示为反馈控制电路9的脉冲调制信号与电感电流的对应波形图，当反馈控制电路9的时钟脉冲为正脉宽时，输出第一脉冲调制信号，当第一脉冲调制信号为正脉宽时，第一开关管15导通，第一电感14开始储存能量，电流逐渐增大，当第一脉冲调制信号为负脉宽时，第一开关管15关闭，第一电感13开始向储能电容4中释放能量，第一电感13内的电流逐渐减小，直至为零。当反馈控制电路9的时钟脉冲为负脉宽时，输出第二脉冲调制信号，当第二脉冲调制信号为正脉宽时，第二开关管16导通，第二电感14开始储存能量，电流逐渐增大，当第二脉冲调制信号为负脉宽时，第二开关管16关闭，第二电感14开始向储能电容4中释放能量，第二电感14内的电流逐渐减小，直至为零。反馈控制电路9的控制芯片为SG3525，它输出的为带死区的两个脉冲调制信号，两个开关管不能同时导通，它们导通的时间相位差为90° ,第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号的占空比均小于50%,这样第一电感13和第二电感14均工作在电流断续DCM模式。且由于第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号交替，两个开关管中的电流的峰值会减小50%，从而减小了充电时的电流纹波。而第一开关管15与第二开关管16交替工作，每个开关管的累计损耗减小为传统非隔离升压充电法的25%，极大的减轻了开关管的负荷。
[0039]本发明中第一开关6和第二开关7可以是使电路开路、使电流中断或流到其他电路的电子元器件，可以是继电器、接触器或手动开关等。第一电感13和第二电感14是能够把电能转化为磁能暂时存储起来的电子元器件，它能阻止电流的变化，是由绝缘导线制而成的线圈，它可以包含磁芯或不含磁芯。电阻2是一个限流元器件，电阻可用可调电阻和固定电阻或其他具有类似功能的器件。第一二极管17和第二二极管18是一种单向导通电流的电子元器件，只能正向导通，反向不能导通，用于第一开关6和第二开关7关断时储存在第一电感13和第二电感14中的能量可以单向流入储能电容4中，该器件可以是快速恢复二极管也可以是肖特基二极管等一切反向击穿电压大于储能电容电压的单向导电器件。由于本发明的第一二极管17和第二二极管18内的电流不连续，所以采用快恢复二极管即可。第一开关管15和第二开关管16是可以使电流中断和流通的机械开关或电子开关，它常工作于比较高速状态下，它可以是大功率三极管，场效应管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和继电器等一切具有开关特性的器件。储能电容4是一种电容整列，它可以是多个电容并联、串联或串并联组合。IGBT驱动器8是一种用于使IGBT元器件快速导通和关断的功能模块，该模块可以提供足驱动功率让第一开关管15和第二开关管16进行高速开关。反馈控制电路9是可用来控制输出电压或电流稳定的电路，它根据储能电容4反馈的电压实时的改变第一开关管15和第二开关管16的占空比，来达到稳定输出电压的目的。
[0040]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法，其特征在于:在非隔离升压充电的基础上采用移相驱动的方式，通过电阻对储能电容进行缓慢充电； 缓慢充电后进行快速充电:反馈电路根据储能电容反馈的电压信号输出两个占空比可调的脉冲调制信号即第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号，通过第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号驱动交错并联BOOST电路，使第一电感和第二电感交错工作在电流断续DCM模式，第一电感和第二电感轮流对储能电容进行快速充电。
2.如权利要求1所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法，其特征在于:所述的反馈电路在其时钟脉冲处于正脉宽时输出第一脉冲调制信号，在其时钟脉冲处于负脉宽时输出第二脉冲调制信号。
3.如权利要求1或2所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法，其特征在于:所述的第一脉冲调制信号输出正脉宽时，第一电感电流增大，所述的第一脉冲调制信号输出负脉宽时，第一电感电流减小，向储能电容充电。
4.如权利要求1或2所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法，其特征在于:所述的第二脉冲调制信号输出正脉宽时，第二电感电流增大，所述的第二脉冲调制信号输出负脉宽时，第二电感电流减小，向储能电容充电。
5.如权利要求3所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电方法，其特征在于:所述第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号的占空比均小于50%。
6.一种脉冲氙灯电源储能电容的充电电路，包括整流桥、第一开关、电阻、反馈电路和IGBT驱动器，所述的第一开关连接在电阻与整流桥的正端之间，其特征在于:所述的整流桥正端连接有第二开关，所述的第二开关连接有交错并联BOOST电路，所述的交错并联BOOST电路包括储能电容，所述的储能电容连接在电阻与整流桥的负端之间，所述的反馈电路连接在IGBT驱动器与储能电容的正极之间，所述的IGBT驱动器驱动交错并联BOOST电路。
7.如权利要求6所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电电路，其特征在于:所述的交错并联BOOST电路还包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第二电感以及第一二极管和第二二极管，所述的第一二级管与第二二极管的阴极均与储能电容的正极连接，所述的第一电感连接在第二开关与第一二极管阳极之间，所述的第二电感连接在第二开关与第二二极管阳极之间，所述的第一开关管漏极与第一二极管阳极连接，源极与整流桥负极连接，所述的第二开关管漏极与第二二极管阳极连接，源极与整流桥负极连接，所述的IGBT驱动器分别与第一开关管和第二开关管的控制端连接。
8.如权利要求7所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电电路，其特征在于:所述的第一开关管与第二开关管为交错导通。
9.如权利要求7或8所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电电路，其特征在于:所述的第一开关管与第二开关管最大导通占空比均不大于50%。
10.如权利要求7所述的一种脉冲氙灯电源储能电容的充电电路，其特征在于:所述的第一二级管和第二二极管中至少一个为快恢复二极管。
【文档编号】H02J7/10GK104242422SQ201410427916
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】贺云杰, 林卿, 王 锋 申请人:武汉凌云光电科技有限责任公司