专利名称：单片机控制脉宽和前后沿的igbt激光泵浦灯电源的制作方法
技术领域：
本实用新型属于固体激光电源技术领域。
在工业加工中，对各种不同类型的材料和不同性质的加工所需要的脉冲激光波形就会有所不同。在科学实验中也需要不同波形的激光脉冲。利用激光电源控制泵浦灯放电波形就可控制脉冲激光的波形，两者是密切相关的。
一种控制泵浦灯放电波形的方法是利用LC元件组成的脉冲形成网络(Pulse Forming Network，简称PFN)，也叫仿真线储能网络。
图1是一种由PFN组成的脉冲激光电源电原理示意图。
图1中(1)、(3)、…、(5)为PFN电容，(2)、(4)、…、(6)为PFN电感，(7)为泵浦灯，(8)为PFN充电电路，(9)为预燃电路。假定由(1)、(3)、…、(5)和(2)、(4)、…、(6)组成的多节LC储能网络中所有电容和电感值都分别相等，则储能网络对泵浦灯放电的波形基本是前后沿对称的梯形波。随仿真线网络的增多，此梯形脉冲波的脉宽增大，前后沿变陡。通过改变仿真线网络的节数，可实现对脉冲宽度和前后沿的调节。
另外一种控制泵浦灯放电波形的方法是在连续固体激光电源的放电回路中加入直流斩波器件，使泵浦灯工作在矩形波状态，达到脉冲激光输出。
图2是一种以直流斩波方式工作的脉冲激光电源的电原理示意图。
图2中(8)为充电电路，(10)是储能电容，(11)是直流斩波器。直流斩波器可以采用SCR，也可以采用GTO(可关断SCR)、Power MosFET(功率Mos场效应管)、GTR(大功率晶体管)、IGBT(绝缘栅型双极晶体管)。直流斩波器关断一次，泵浦灯放电一次。
但是以上两种方法存在如下缺陷1、如用PFN，不能方便地对脉冲宽度和前后沿连续实时控制，只能在整台激光电源断电后方可调整脉宽和前后沿。
2、如用斩波方式，无法调整脉冲的前后沿。
3、如用PFN，电路中有硬触点接头，调整脉宽和前后沿时必须动手更换。
4、如用PFN，激光电源中仿真线网络的电感、电容体积大、重量大、电源价格昂贵。
本实用新型的目的是1、实现对脉冲宽度和前后沿的任意级实时自动控制。
2、去掉在对脉冲宽度和前后沿调节过程中的硬触点。
3、减小电感和电容的体积、重量，以减小电源的体积、重量、降低电源的成本。
图3是本实用新型的电路原理示意图。
图3中(12)为三相整流桥，(13)为输入滤波电容，(14)为IGBT开关管，(15)为续流二极管，(16)为输出滤波电感，(17)为输出滤波电容，(18)为8031单片机系统，(19)为D／A转换器，(20)为直流放大器，(21)为脉宽调制控制芯片TL494，(22)为TL494(21)输出电阻，(23)为驱动晶体管，(24)为EXB841(25)输入电阻，(25)为IGBT专用驱动模块EXB841，(26)为取样电阻，(27)为光电耦合器，(28)为A／D转换器，(9)为预燃电路。
本实用新型由主电路、控制电路、反馈电路以及预燃电路组成。
主电路包括输入回路，输出回路和功率开关器件IGBT(14)。输入回路由三相整流桥(12)与滤波电容(13)并联而成。输出回路由续流二极管(15)、滤波电感(16)和输出滤波电容(17)串联而成。A点为输出电压的正端，B为输出电压的负端。输入回路与输出回路之间由开关器件IGBT(14)串联连接。激光泵浦灯(7)连接在A、B两点之间。主电路工作时，三相工频交流电经整流桥(12)整流、滤波电容(13)滤波后获得直流电压输入。输入电压的D端经开关器件IGBT(14)按高频控制方式斩波后加在输出回路的S点。续流二极管(15)在开关IGBT(14)关断期内起续流作用，输出滤波电感(16)和输出滤波电容(17)起平滑输出波形的作用。
控制电路产生高频PWM驱动信号，控制IGBT(14)以高频方式工作。由LC元件平滑滤波，产生一定脉宽和前后沿的放电脉冲。
控制电路由8031单片机系统(18)、D／A转换器(19)、直流放大器(20)、脉宽调制电源专用控制芯片TL494(21)、驱动晶体管(23)和IGBT的专用驱动模块EXB841(25)组成。8031单片机系统(18)包括键盘和显示器、8031CPU及2732EPROM。由键盘置入所要产生的放电脉冲的前后沿、脉宽、电压和频率的数据，显示器实时显示。8031CPU将读入的十进制数转化为十六进制数并进行处理，然后输出脉冲前后沿、脉宽、电压和频率给定的数字化波形信号，由0832D／A转换器(19)转换为阶梯状的模拟信号，信号的形状与所要的放电脉冲形状一致，阶梯的频率与TL494(21)的工作频率相等。由D／A转换器(19)转换的模拟信号再经直流放大器(20)放大，输出到TL494(21)的第三脚，TL494(21)的第九脚输出脉冲占空比变化的PWM信号。TL494(21)的工作频率就是IGBT(14)的工作频率。TL494(21)输出的PWM信号由驱动晶体管(23)前置放大、IGBT专用驱动模块EXB841(25)功率放大驱动IGBT(14)。EXB841(25)的第三脚和第一脚分别接在IGBT(14)的栅极G和源极S上。电阻(22)是TL494(21)的输出负载电阻，电阻(24)是EXB841(25)的输入电阻。
控制电路的核心为8031单片机系统(18)，它既包括上面提到的硬件设备也包括汇编语言编制的专用软件，该软件由键盘显示器程序模块、数制转换程序模块、数据处理程序模块、输出程序模块和子程序模块组成。
反馈电路由跨接于灯两端的取样电阻(26)、光电耦合器(27)和A／D转换器(28)组成。取样电阻(26)探测灯两端的电压，经起隔离作用的光电耦合器(27)耦合输出给由0809组成的A／D转换器(28)，由A／D转换器(28)转换成数字信号进入8031单片机系统(18)。8031将反馈回来的数字电压信号与8031输出的数字电压信号比较，如超过一定范围，则更改输出的电压信号，直至两者之差又回到一定范围之内。
预燃电路(9)采用一般的预燃电路。
本实用新型具有以下优点1、实现了对脉冲宽度和前后沿的任意级实时控制，在激光电源不断电的情况下，即可调整脉宽和前后沿。
2、去掉了在脉冲宽度和前后沿调节过程中的硬触点。
3、减小了电感和电容的体积和重量，从而减小了激光电源的体积和重量，降低了成本。
4、实现了脉冲激光电源的单片机控制。
权利要求1.单片机控制脉宽和前后沿的IGBT激光泵浦灯电源，它由主电路，控制电路和反馈电路组成，所说的主电路的元件和连接方式是，三相交流输入经三相整流桥(12)整流，输入滤波电容(13)滤波，IGBT开关管(14)漏极D接滤波电容(13)的正端，IGBT(14)的源极S接续流二极管(15)的负端，输出滤波电感(16)的两端分别接二极管(15)的负端和输出滤波电容(17)的正端，激光泵浦灯(7)与滤波电容(17)并联，与整流滤波后的直流输入负端连接的有滤波电容(13)的负端，续流二极管(15)的正端，滤波电容(17)的负端，IGBT(14)的栅极接收所说的控制电路产生的控制信号，其特征是，所说的控制电路的元件和连接方式是，8031单片机系统(18)输出脉宽和前后沿给定的数字化波形信号，由D/A转换器(19)变换成阶梯模拟信号，再由直流放大器(20)放大，输入到TL494(21)的第三脚，由TL494(21)的第九脚输出脉冲占空比变化的PWM信号，该PWM信号由驱动晶体管(23)前置放大，IGBT专用驱动模块EXB841(25)功率放大，由EXB841(25)的第一脚和第三脚输出驱动信号，该驱动信号接在IGBT(14)的栅极G和源极S上，电阻(22)是TL494(21)的输出负载电阻，电阻(24)是EXB841(25)的输入电阻，所说的反馈电路的元件和连接方式是，可调电阻(26)是主电路输出电压取样电阻，它跨接在泵浦灯(7)的两端，可调电阻(26)的动臂输出电压取样信号，经光电耦合器(27)耦合，再经前置A/D转换器(28)转换成数字信号，该数字信号输入到8031单片机系统(18)。
专利摘要本实用新型单片机控制脉宽和前后沿的IGBT激光泵浦灯电源，属于固体激光电源技术领域。采用MCS-51单片机系统控制IGBT高频工作，实现对脉冲宽度和前后沿的任意级实时反馈控制。避免了传统脉冲形成网络(PFN)在脉宽和前后沿调节过程中的硬触点，在不断电情况下可调节脉宽和前后沿。减小了电感和电容以及电源整机的体积和重量，降低了成本，实现了脉冲激光电源的单片机控制。
文档编号H01S3/09GK2180015SQ9321891
公开日1994年10月19日 申请日期1993年7月20日 优先权日1993年7月20日
发明者孙小卫, 于意仲, 张锐, 龙晓, 吴峰, 姚建铨 申请人:天津大学