一种氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置的制作方法

本发明属于激光技术、脉冲功率技术、高电压技术和电力电子技术的交叉复合领域，涉及一种可以采用大功率可控硅晶闸管开关、用于氙灯激励型高能激光器的泵浦电源装置。

背景技术：

激光技术是近年来工程技术研究中的活跃领域。在各种各样的激光设备中，氙灯作为激光设备的一个常用光源，通常被人们也叫做激光氙灯、脉冲氙灯。氙灯是一种填充氙气的光电管或闪光电灯。氙气化学性质不活泼，不能燃烧，也不助燃，是天然的稀有气体中分子量最大、密度最高的气体。氙气高压灯辐射发出很强的紫外线，可用于医疗、制作光谱仪光谱以及各种工业激光设备中。

用于大型高功率激光器的强激光技术需要使用大尺寸高压氙灯，其长度往往在1000mm以上，内部气压也很高。这时，氙灯激励需要一个能提供强大功率的脉冲泵浦电源。以电容器为储能单元的大功率脉冲电源是强激光装置初级能源激励系统的重要组成部分，它为氙灯负载提供满足能量、功率和波形要求的激励脉冲。例如，在激光惯性约束聚变的前级泵浦能源中，单台电源系统需要为数十支串并联的大尺寸氙灯提供兆焦级的脉冲激励能量，电源中单个开关的能量传递能力要达到数吉瓦(10⁹W)峰值功率、数百千安(10⁵A)峰值电流、数百微秒(10^-6s)脉冲宽度的水平。

开关器件是脉冲功率电源中的重要器件，因为开关器件的性能会直接影响到输出脉冲波的上升时间、幅值等参数。高能脉冲开关要求响应快、损耗小、承受电压高、传导电流大、稳定性高、电感低、工作电压调节方便、结构简单坚固、寿命长、造价经济等特点。

目前主流的脉冲功率开关器件是气体间隙类开关(包括低气压的真空开关)和固体半导体开关两大类。气体间隙类开关单体耐高压能力、通流能力、抗负载故障能力都很强，造价也很低廉，但缺点是触发电路复杂、寿命有限、维护工作量较大、长期使用的经济性较差。固体半导体开关的优缺点正好与之相反。特别是由于目前半导体器件单体的工作电压、工作电流都很有限，因此不得不将多个单体开关串联或并联起来以实现耐高压和大通流能力，这样不仅提高了电路复杂性，增大了技术投资，可靠性也大为降低。

虽然串联半导体开关可以耐高压，并联半导体开关可以提高通流能力，但由于多个半导体器件导通动作的略微差异会导致电压和电流分配不均，因此，串联半导体开关必须配合均压电路(措施)，并联半导体开关必须采用均流电路(措施)。需要均压或均流的半导体开关单体越多，均流和均压电路(措施)就越复杂。这样，又进一步提高了开关技术复杂性和成本造价，降低了可靠性。

有鉴于此，考虑到氙灯激励对电源电压和电流的特殊要求，需要开发一种无须均流措施、经济有效地使用半导体可控硅晶闸管的脉冲泵浦电源装置。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置，其目的在于，设计充放电子模块并联充电、独立放电的方式，将脉冲泵浦电源中需要通过巨大电流的一个总开关分成了若干相对独立的小开关，本发明的电源装置能够采用半导体可控硅晶闸管作为主放电电路的开关，也无需额外的均流措施，结构简单，可靠性高，成本低廉。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置，其特征在于，其采用半导体可控硅晶闸管开关作为主放电电路的开关，其包括充放电子模块、汇流母排、调波电感、氙灯以及隔离开关，其中，

设定数量的充放电子模块并联连接在一个汇流母排的输入端上，汇流母排的输出端并联连接若干路的调波电感，每路调波电感连接一路氙灯支路，一个所述充放电子模块包括一个晶闸管开关组件和一个储能电容器组，晶闸管开关组件一端连接至所述汇流母排且另一端连接至储能电容器组，一个储能电容器组包括若干台金属化膜电容器和与金属化膜电容器台数相同的保护阻抗器，一台金属化膜电容器连接一台保护阻抗器，一个晶闸管开关组件包括若干个半导体可控硅晶闸管开关，若干个半导体可控硅晶闸管开关串联构成一个晶闸管开关组件，各个充放电子模块中的储能电容器组的高压端之间均连接有隔离开关，所述隔离开关在闭合连通时能使储能电容器组被充电，所述隔离开关在断开且所述晶闸管开关组件在闭合时，各个储能电容器组放电，且放电获得的电流在汇流母排处叠加。

进一步的，其包括充放电模块机柜、充电控制机柜以及电流调制机柜，其中，所述充放电子模块和所述汇流母排设置在充放电模块机柜中，所述调波电感设置在所述电流调制机柜中，所述充放电模块机柜一端连接所述电流调制机柜，且另一端连接所述充电控制机柜，所述充放电模块机柜、充电控制机柜以及电流调制机柜采用等电位共地接地的接地方式。

进一步的，所述充电控制柜内包括控制监测单元和充电单元，所述控制监测单元和充电单元呈现上、下排列，上部设置控制监测单元，下部设置充电单元，所述控制监测单元用于接收外部指令，对充电单元进行控制，还用于接收外部指令，对充放电子模块中的晶闸管开关组件给出同步触发信号，还用于监测、记录脉冲泵浦电源的的工作信息，所述充电单元用于给充放电子模块中的储能电容器充电。

进一步的，所述充放电模块机柜中的多个充放电子模块面对面对称排列，所述汇流母排设置在所述充放电模块机柜中部，各个充放电子模块在所述汇流母排上形成电流汇流。

进一步的，所述充放电模块机柜中还安装有预电离单元和储能电容器组泄能单元。

进一步的，所述电流调制机柜位于所述充放电模块机柜的顶部上方，所述电流调制机柜内设置有若干调波电感，若干调波电感呈现环形均布排列，每个调波电感通过电缆连接一路氙灯。

进一步的，所述隔离开关放置于充放电模块机柜或者充电控制机柜中。

进一步的，工作时，所述充电控制机柜输入380V交流市电，充电控制机柜的充电单元输出放电子模块中储能电容器所需的工作储能直流电压，并对充电电压进行监测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：

(1)利用电压、电流的感应叠加原理，采用充放电子模块并联充电，独立放电设计，将脉冲泵浦电源中需要通过巨大电流的一个总开关分成了若干相对独立的小开关，相当于将总电流分切成若干小电流之和。这样，只要保证同步触发，半导体开关的均流问题无须再考虑，这相当于把并联开关均流问题就转化为充放电子模块的同步触发问题，而后者在技术投资和技术成熟度上要容易解决得多。

(2)通过隔离开关的开断操作，放电时单体开关器件所需的通流峰值显著下降，通态电流变化率也随之下降，因此用性能较低、价格较便宜的小尺寸晶闸管串联替代大尺寸高性能晶闸管串联来制造开关，技术经济性明显提高。

(3)该装置布局紧凑，主要柜体内充放电子模块对称排列，能够平衡大电流通过造成的电动力冲击，提高设备使用的安全性和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置整体电路示意图；

图2为本发明实施例中氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置的布局图。

具体实施方式

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。应当理解，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。

本发明的一种氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置，使用半导体可控硅晶闸管作为主放电电路的开关。若干个晶闸管开关串联构成一个晶闸管开关组件，每个晶闸管开关组件连接一个储能电容器组构成一个充放电子模块。一个储能电容器组包括若干台金属化膜电容器和若干台保护阻抗器。若干个充放电子模块并联连接在一个汇流母排上。汇流母排接下来连接有若干个调波电感，调波电感又进一步连接到若干个氙灯支路上。

其中，各个充放电子模块的储能电容器组高压端之间连接有一个隔离开关。电源工作时，首先让隔离开关闭合导通，然后充电机给所有储能电容器组并联充电，充电完毕后，隔离开关断开，储能电容器组变成相互电气独立，由触发信号同时同步触发所有的晶闸管开关组件导通，电流汇流到母排处形成电流叠加，形成高峰值大功率电流波形。由于隔离开关两端电压相等，不会形成电弧，因此用普通高压开关、磁吸式继电器等常规设备等都可实现功能。

在本发明的一个实施例中，本发明的一种氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置还可以包括充电控制机柜、充放电模块机柜、电流调制机柜三个主要功能机柜。充电控制机柜中，包括了控制监测单元、充电单元两个功能单元，呈现上、下排列，上部为控制监测单元，下部为充电单元。充放电模块机柜安装前述充放电子模块，各充放电子模块面对面对称排列，在充放电模块机柜中部的母排上形成汇流，在充放电模块机柜中部的下方，还安装有预电离单元和储能电容器组泄能单元，流调制机柜位于充放电模块机柜的顶部上方，其内有与母排连接的若干调波电感，电感呈现环形均布排列，每个调波电感通过电缆连接一路氙灯。三个机柜的接地方式采用等电位共地接地。

前述隔离开关，可视具体情况放置于充放电模块机柜或者充电控制机柜中。

在工作时，本发明的一种氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置，充电控制机柜输入为380V交流市电，充电控制机柜的充电单元输出放电子模块中储能电容器所需的工作储能直流电压，并对充电电压进行监测，而充电控制机柜的控制监测单元则完成以下功能：(1)接收外部指令，对充电单元进行控制；(2)接收外部指令，对充放电子模块中的半导体可控硅晶闸管开关组件给出同步触发信号；(3)监测、记录脉冲泵浦电源的所有必要的工作信息，例如放电波形、充放电特征参数、故障记录等等。控制监测单元的指令接收与给出，都通过光纤信号进行。

下面结合具体的实施例进一步详细说明书本发明的氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置。

图1为本发明实施例中氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置整体电路示意图，如图1所示，假设电源装置包括16台储能电容器，标记为C1-1至C1-16，每个电容器连接有一个保护阻抗器，保护阻抗器的电阻分别标记为R1-1至R1-16，电感分别标记为L1-1至L1-16。由图1电路可知，当电容器在充电过程中发生内部短路击穿，其余并联的正常电容器会对该台电容器发生能量“灌注”，导致故障电容器短时间电流过大而爆裂。保护阻抗器由具有一定吸能特性的金属材料制成，在电流过大时阻抗会显著增大，相当于吸收其余电容器的能量，防止故障电容器爆裂。

在图1中，十六台电容器及其保护阻抗器被分成两组，C1-1至C1-8连接到半导体可控硅晶闸管开关K1，C1-9至C1-16连接到半导体可控硅晶闸管开关K2，两组之间的高压端用一个隔离开关TK0连接。这样，C1-1至C1-8(包括它们的保护阻抗器)与K1构成第一充放电子模块，C1-9至C1-16(包括它们的保护阻抗器)与K2构成第二充放电子模块。充电单元对十六台电容器并联充电时，隔离开关TK0是闭合的，充电到工作电压后，TK0由控制监测单元指令控制打开(断开)，然后K1和K2在控制监测单元的指令下同时触发闭合，通过K1和K2的电流在汇流母排处叠加。根据基本电路原理，如果两个充放电子模块等效电气参数相同，汇流母排处的峰值电流就增大一倍。如此实现充放电子模块的并联充电和独立放电。

隔离开关TK0虽然在断开时两端电压基本相等，但出于最严苛的极端情况考虑，隔离开关TK0参数选型时其开关耐压值应显著大于充电单元对的充放电子模块中电容器的充电电压值，以避免当半导体可控硅晶闸管开关K1和半导体可控硅晶闸管开关K2动作严重不同步时发生绝缘击穿或闪络故障。

在本发明的又一个实施例中，图1中的充放电子模块数目也可以设置为三个、四个或者更多，如此可降低通过每个充放电子模块开关的输出电流值，但总电流值仍然叠加。

图1中从汇流母排输出十路氙灯支路，每个支路上包括一个调波电感(调波电感分别以L2-1至L2-10表示)、一段电缆(电缆以TL1-1至TL1-10表示)以及两只氙灯(氙灯分别以LT1-1、LT1-2至LT10-1、LT10-2表示，其中，LT1-1和LT1-2表示同一组氙灯，其对应连接TL1-1电缆和L2-1调波电感，同理，LT10-1、LT10-2也为同一组氙灯，其对应连接TL1-10电缆和L2-10调波电感，其他依次类推)。这些为本技术领域常规设计，亦可以是其他数目的支路和氙灯数目，在此也不做赘述。

图1中实线方框内为脉冲泵浦电源所包含的主要功能单元，脉冲泵浦电源还包括预电离单元和电容器组泄能单元等(在图1中并没有画出)，这些也为本技术领域常规设计，在此不做赘述。

在本发明申请的技术领域，目前已知6英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片，耐压6.5kV，通流峰值能力330kA，5英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片，耐压6.5kV，通流峰值能力280kA，4英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片，耐压6.0kV，通流峰值能力200kA。随着半导体晶元的直径减小，单体阀片价格也会指数下降，工艺可靠性则会指数上升。

假设图1中，充放电电压25kV，所有十路氙灯支路总的电流峰值之和(即通过汇流母排电流)要达到500kA，那么，目前已知的半导体可控硅晶闸管没有一种可以直接通过500kA的电流，只能使用气体间隙类开关；但利用本电路，可以用两组通流能力280kA的5英寸半导体可控硅晶闸管，每组五个单体阀片串联，分别构成K1和K2，这样固体半导体开关就可使用在此种电源中，将不能变为可能。

再假设图1中，充放电电压还是25kV，所有十路氙灯支路总的电流峰值之和(即通过汇流母排电流)要达到300kA，那么可以用一组串联的6英寸半导体可控硅晶闸管实现。若像本发明实施例中一样使用两个充放电子模块设计，则两组4英寸可控硅晶闸管串联也可实现，目前4英寸晶闸管阀片只有6英寸晶闸管阀片价格的1/6，即便其数量增加为2倍，技术经济性也较6英寸方案显著降低。

图2为本发明实施例中氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置的布局图，图2中，从粗实线可以看出，该装置包括充电控制机柜、充放电模块机柜、电流调制机柜三个主要功能机柜。充电控制机柜包括控制监测单元和充电单元两个功能单元，呈现上、下排列，上部为控制监测单元，下部为充电单元。放电模块机柜中，两个充放电子模块的电容器、保护阻抗器、半导体可控硅晶闸管开关，都是相向排列，形成面对面对称布局样式。开关K1和开关K2在放电模块机柜中部的母排上形成汇流，在放电模块机柜中部的下方，有预电离单元和储能电容器组构成泄能单元。电流调制机柜位于放电模块机柜的顶部上方，其内有与母排连接的若干调波电感，每个调波电感通过电缆连接一路氙灯。

本发明装置在具体实现时，可以有各种变形，例如两台储能电容器共用一个保护阻抗器(只要保护阻抗器设计合理，满足功能要求)，或者电流调制机柜从放电模块机柜侧面连接，以降低总体高度，又或者充放电子模块有三个、四个或更多，为安全起见使用多个隔离开关，或者将隔离开关用其他功能类似的继电器一类开断设备替代等等，但都可视作本发明的等效技术修改。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。