信息產(chǎn)業(yè)部電子第53研究所

1前言

電源是光電對(duì)抗工作的前提條件，激光電源是激光器的重要組成部分，又與我們目前工作有著密切的聯(lián)系。因此以激光電源課題研究的體會(huì)和大家交流，目的在于相互促進(jìn)，以便把未來(lái)的工作搞得更好。

2激光電源簡(jiǎn)介

2?1激光電源的原理框圖

激光電源的原理框圖如圖1所示。

2?2激光電源的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）單脈沖能量25J；

（2）脈沖重復(fù)頻率1、5、10、20、40Hz；

（3）最大輸出功率1000W；

（4）放電脈寬200μs；

（5）放電重復(fù)頻率穩(wěn)定度>99％；

（6）激光輸出能量穩(wěn)定度>95％；

（7）激光輸出延時(shí)穩(wěn)定度±1μs；

（8）輸入電源AC220V±10％、50Hz。

2?3激光電源的運(yùn)行實(shí)績(jī)

（1）通過(guò)所內(nèi)運(yùn)行測(cè)試考核；

（2）配套參加××產(chǎn)品國(guó)家靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)；（3）參加所內(nèi)多項(xiàng)課題實(shí)驗(yàn)，無(wú)故障運(yùn)行近三年。

圖1激光電源原理框圖

3研制體會(huì)

3?1認(rèn)真研究分析技術(shù)指標(biāo)作好方案設(shè)計(jì)

（1）在方案準(zhǔn)備階段吃透每個(gè)技術(shù)指標(biāo)要求

比如電容器的充電。對(duì)于脈沖工作的激光器，一般采用電容器放電激勵(lì)的方式。技術(shù)指標(biāo)要求單脈沖能量25J，即要求電容器儲(chǔ)能25J。而電容器儲(chǔ)能是通過(guò)給某一電容量的電容器充上相應(yīng)的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這里電容器的電容量多大，充電電壓多高和采用什么方式充電是必須解決的問(wèn)題。

（2）吃透各個(gè)技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)系

比如電容器的電容量與放電脈寬200μs的技術(shù)指標(biāo)有關(guān)。電容器的充電電壓與電容器的額定電壓、高頻變壓器繞組的電壓以及高頻整流器件的電壓等參數(shù)有關(guān)；而電容器的充電方式與主電路的方式密切相關(guān)。因此，在滿足單個(gè)技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)必須考慮對(duì)其它技術(shù)指標(biāo)的影響。

再比如技術(shù)指標(biāo)要求脈沖重復(fù)頻率最高40Hz，即要求在25ms內(nèi)完成電容器的充放電。如果確定放電時(shí)間為5ms，那么充電儲(chǔ)能25J必須在20ms內(nèi)完成。由此可以確定充電電流、高頻變壓器繞組的電流以及高頻整流器件的電流等參數(shù)。

（3）準(zhǔn)備幾套方案進(jìn)行比較擇優(yōu)

3?2理論聯(lián)系實(shí)際不斷擴(kuò)展知識(shí)面

扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)只是作好研制工作的前提之一，而要想把研制工作做好，理論必須聯(lián)系實(shí)際。因?yàn)榛A(chǔ)知識(shí)多是抽象化和理想化的，應(yīng)用在復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情況中往往會(huì)出問(wèn)題。

比如軟起動(dòng)。對(duì)含有整流、濾波的電路，由于濾波大電容的存在，合閘時(shí)將產(chǎn)生幅值很高的沖擊電流。這種沖擊電流危害極大：一是沖擊電流將會(huì)對(duì)接在同一電源上的其它負(fù)載產(chǎn)生干擾；二是電路的保護(hù)將會(huì)由于沖擊電流而動(dòng)作，例如熔斷器的熔斷或交流斷路器跳閘。為此，應(yīng)該增加軟起動(dòng)電路。軟起動(dòng)電路的實(shí)質(zhì)是：在電源和濾波的大電容之間串入電阻，以降低合閘時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流幅值。起動(dòng)完成后，將該電阻短接掉，使電路進(jìn)入正常運(yùn)行。

又比如高頻變壓器。變壓器的主要功能有兩種：一是通過(guò)兩個(gè)繞組間磁的耦合傳遞電能，實(shí)現(xiàn)了電路的隔離；二是通過(guò)兩個(gè)繞組的匝數(shù)比來(lái)改變電壓及電流。在一般變壓器的簡(jiǎn)單分析中，往往將變壓器視為理想的狀況，即忽略繞組和鐵心的損耗、兩個(gè)繞組為完全耦合，其結(jié)果誤差不會(huì)太大。然而對(duì)激光電源的高頻變壓器采取上述處理，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。這是因?yàn)榧す怆娫吹?a href="http://m.1cnz.cn/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器開(kāi)關(guān)采用電感和電容諧振的方式。諧振電感值只有20μH，而被忽略的高頻變壓器的實(shí)際漏感值竟高達(dá)50μH，因此原設(shè)計(jì)的諧振周期加大到近2倍。這樣一來(lái)，使原設(shè)計(jì)的在電流過(guò)零時(shí)的逆變開(kāi)關(guān)關(guān)斷變成了幾乎在電流最大時(shí)的逆變開(kāi)關(guān)關(guān)斷，造成逆變開(kāi)關(guān)損耗急劇增加，后果是逆變開(kāi)關(guān)的燒毀。

一般的科研課題往往不會(huì)局限于單一專業(yè)或幾個(gè)專業(yè)。因此要想搞好科研課題，就必須不斷擴(kuò)展知識(shí)面，提高科研人員的開(kāi)發(fā)能力。

比如氙燈觸發(fā)就屬于高電壓專業(yè)。氙燈可靠觸發(fā)受以下多種因素的影響：氙燈中氣體的狀態(tài)、觸發(fā)電壓的幅值、觸發(fā)電壓的前沿、觸發(fā)電壓的脈寬、觸發(fā)電壓的極性、氙燈電極的材料以及氙燈周圍狀態(tài)等。我們?cè)陂_(kāi)始氙燈觸發(fā)試驗(yàn)時(shí)，由于不了解氙燈觸發(fā)的特性，雖采取了多種措施，將觸發(fā)電壓提高到2萬(wàn)多伏，也不能將氙燈可靠地觸發(fā)。在逐漸擴(kuò)展高電壓專業(yè)的知識(shí)面后，只有1萬(wàn)多伏觸發(fā)電壓就能將氙燈可靠地觸發(fā)。

又比如高頻變壓器的設(shè)計(jì)。以前搞過(guò)工頻變壓器的設(shè)計(jì)，而高頻變壓器與工頻變壓器相比有很多不同之處。主要表現(xiàn)為高頻變壓器的性能與高頻逆變開(kāi)關(guān)能否正常工作有關(guān)、高頻變壓器的磁心材料在高頻條件下要有較小的功率損耗、防止高頻變壓器的磁通瞬態(tài)飽和、繞組的計(jì)算和繞制工藝、導(dǎo)線的集膚效應(yīng)以及寄生參數(shù)的考慮等等。只有充分掌握高頻變壓器的有關(guān)知識(shí)，才能設(shè)計(jì)好高頻變壓器以致整個(gè)開(kāi)關(guān)電源。

3?3應(yīng)用高新技術(shù)提升研制水平

要提升課題的研制水平或科技含量，一定要應(yīng)用與課題密切相關(guān)的高新技術(shù)，否則將失去課題的先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)能力。為此本課題應(yīng)用了與課題密切相關(guān)的如下高新技術(shù)：

（1）IGBT電力電子器件

IGBT是目前發(fā)展最快的一種混合型電力電子器件。其特點(diǎn)是控制功率低、電流容量大、承受電壓高、導(dǎo)通壓降低、開(kāi)關(guān)時(shí)間短。因此IGBT電力電子器件特別適合應(yīng)用在中、大功率的開(kāi)關(guān)電源上。IGBT電力電子器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間直接關(guān)系到逆變的頻率和電源的體積，而導(dǎo)通壓降直接關(guān)系到導(dǎo)通損耗和整機(jī)效率。所以IGBT電力電子器件是影響激光電源課題水平的關(guān)鍵元器件。

（2）諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)

諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)是目前開(kāi)關(guān)電源中發(fā)展最快的一種技術(shù)。由于諧振高頻逆變電流近似正弦波，逆變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷均在電流過(guò)零時(shí)刻。因此逆變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的損耗大大降低。同時(shí)由于逆變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電流變化率小，產(chǎn)生的電磁干擾較小，使激光電源運(yùn)行的可靠性提高。

（3）新型高頻磁性材料

非晶態(tài)合金是一種新開(kāi)發(fā)出的高頻磁性材料。非晶態(tài)合金與鐵氧體相比具有如下特點(diǎn)：非晶態(tài)合金的飽和磁通密度為鐵氧體飽和磁通密度的4倍，這意味著應(yīng)用非晶態(tài)合金制作的高頻變壓器的磁芯比應(yīng)用鐵氧體制作的高頻變壓器的磁芯體積小4倍；非晶態(tài)合金的居里溫度為鐵氧體居里溫度的3倍，這意味著應(yīng)用非晶態(tài)合金制作的高頻變壓器的溫度穩(wěn)定性很高；同在20kHz的工作頻率時(shí)，鐵氧體磁芯的功率損耗為鈷基非晶態(tài)合金磁芯功率損耗的5倍，這意味著應(yīng)用鈷基非晶態(tài)合金制作的高頻變壓器的效率較高；另外非晶態(tài)合金的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)比鐵氧體的機(jī)械強(qiáng)度高。

3?4勇于迎接挑戰(zhàn)

任何科研課題都存在一定的技術(shù)難度，隨著一個(gè)個(gè)技術(shù)難度的解決，科研工作才一步步進(jìn)展，保有勇于迎接挑戰(zhàn)的科研人員才能將課題搞深、搞透、搞好。

開(kāi)始時(shí)，電容器充電電壓的采樣是采用光耦器件隔離的方法，調(diào)試中光耦器件曾經(jīng)爆裂過(guò)，因此這種方法不太可靠。針對(duì)電容器充電所采用的高頻恒流方式的特點(diǎn)，電容器充電電壓的采樣也可以采用計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)的方法。這兩種方法都避開(kāi)了采用光耦器件的隔離方法，而且充電電壓的控制精度比較高。在這臺(tái)激光電源中電容器充電電壓的采樣就采用了計(jì)時(shí)的方法。

再回到高頻變壓器的設(shè)計(jì)上來(lái)，開(kāi)始設(shè)計(jì)的高頻變壓器，由于初、次級(jí)繞組耦合的不好，致使高頻變壓器的實(shí)際漏感值高達(dá)50μH。而在激光電源的逆變開(kāi)關(guān)所采用的電感電容諧振方式中，諧振電感值只有20μH。能否將高頻變壓器的實(shí)際漏感值設(shè)計(jì)為20μH，而取代諧振電感值的20μH。我們分析認(rèn)為這是可能的，即利用高頻變壓器的分布參數(shù)來(lái)代替諧振電感的實(shí)體。如此一來(lái)，激光電源少了一個(gè)大的元件，真是一種大膽的創(chuàng)意。

由于激光電源的主電路工作在高頻、高壓和大電流狀態(tài)，是一種強(qiáng)干擾源。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中不注意采用相應(yīng)的電磁兼容性措施，必然會(huì)對(duì)弱電等敏感設(shè)備造成干擾而使整個(gè)設(shè)備不能正常工作。基于以前積累的工作經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了如下的多種電磁兼容性措施：

（1）在交流電源進(jìn)線處設(shè)置電源濾波器，以濾除高頻干擾對(duì)弱電控制電路的影響；

（2）在電源變壓器初、次級(jí)繞組間設(shè)置屏蔽層、在弱電控制電路外加屏蔽罩以及信號(hào)線采用屏蔽線，以阻止電磁干擾的耦合；

（3）對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)的觸發(fā)控制線采用雙絞線，以使磁場(chǎng)干擾信號(hào)相互抵消；

（4）在控制電路的直流電源上跨接高頻小電容，以旁路高頻干擾信號(hào)；

（5）在IGBT開(kāi)關(guān)的集電極和發(fā)射極之間跨接壓敏電阻，以削弱尖峰干擾信號(hào)；

（6）在強(qiáng)、弱電電路之間設(shè)置光電或電磁隔離，以切斷強(qiáng)電對(duì)弱電電路的干擾。

激光電源的調(diào)試工作從1995年5月29日開(kāi)始，至1995年9月12日結(jié)束。在激光電源的研制過(guò)程中，困難一直伴隨著我們，這里只舉幾個(gè)例子：

首先，在低功率調(diào)試中發(fā)現(xiàn)應(yīng)交替導(dǎo)通的兩個(gè)逆變開(kāi)關(guān)IGBT的觸發(fā)信號(hào)存在重迭現(xiàn)象，即有互相干擾。如果不消除這種干擾，可能發(fā)生主電路直通故障。也是基于以前積累的工作經(jīng)驗(yàn)，我們從逆變開(kāi)關(guān)IGBT的觸發(fā)端倒推，一級(jí)一級(jí)地檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，直到產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的TL494集成電路的兩個(gè)輸出端，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)輸出端的引線距離很近，且平行布線很遠(yuǎn)。通過(guò)分析表明，這種情況容易產(chǎn)生電容性耦合干擾，干擾的強(qiáng)弱與工作頻率及兩條引線之間的電容量有關(guān)。當(dāng)我們將其中一條引線切斷，用一條拉開(kāi)很遠(yuǎn)距離的臨時(shí)導(dǎo)線代用后，兩個(gè)逆變開(kāi)關(guān)IGBT的觸發(fā)信號(hào)不再存在重迭現(xiàn)象了。盡管故障的排除時(shí)間不長(zhǎng)，但對(duì)我們的教訓(xùn)是相當(dāng)深刻的。

其次遇到的困難是氙燈觸發(fā)。如前所述，氙燈可靠觸發(fā)受多種因素的影響。開(kāi)始氙燈觸發(fā)試驗(yàn)時(shí)，只注重觸發(fā)電壓的幅值，將觸發(fā)電壓逐漸提高到近2萬(wàn)伏，也不能將氙燈可靠地觸發(fā)，而且此時(shí)高壓脈沖變壓器到處放電，于是又對(duì)高壓脈沖變壓器加強(qiáng)絕緣，將觸發(fā)電壓提高到2萬(wàn)多伏，還是不能將氙燈可靠地觸發(fā)。在經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)氙燈周圍狀態(tài)對(duì)氙燈可靠觸發(fā)有很大的影響，例如與氙燈并聯(lián)著的二條支路——儲(chǔ)能電容器放電支路和預(yù)燃支路，特別是預(yù)燃支路的反向隔離阻抗偏低，致使很多觸發(fā)能量流失而使氙燈不能可靠地觸發(fā)。當(dāng)加強(qiáng)了預(yù)燃支路的反向隔離阻抗后，只用1萬(wàn)多伏觸發(fā)電壓就能將氙燈可靠地觸發(fā)了。

再次遇到的困難是在低功率時(shí)IGBT電力電子器件就嚴(yán)重發(fā)熱。開(kāi)始認(rèn)為IGBT開(kāi)關(guān)發(fā)熱是由于觸發(fā)電平偏低而導(dǎo)致導(dǎo)通壓降大的緣故，但在測(cè)試和更換觸發(fā)電路后仍無(wú)效果。打算采用降低逆變頻率和加大散熱片面積的方法，又感覺(jué)不是解決問(wèn)題的根本途徑。面對(duì)這樣的困境，反倒使我們冷靜了下來(lái)。還是先測(cè)量一下電流波形吧。測(cè)量波形后，使我們大吃一驚！因?yàn)榧す怆娫吹拈_(kāi)關(guān)逆變采用電感和電容諧振的方式，諧振電流的波形應(yīng)該近似正弦波，而測(cè)量的波形變?yōu)榘雮€(gè)正弦波。怎么會(huì)發(fā)生電流截?cái)啵恐匦聹y(cè)量諧振電感值和諧振電容值，均正確。而測(cè)量被忽略的高頻變壓器的實(shí)際漏感值竟高達(dá)50μH，致使原設(shè)計(jì)的諧振周期加大到近2倍。這樣一來(lái)，使原設(shè)計(jì)的在電流過(guò)零時(shí)的逆變開(kāi)關(guān)關(guān)斷變成了幾乎在電流最大時(shí)的逆變開(kāi)關(guān)關(guān)斷，造成逆變開(kāi)關(guān)損耗急劇增加，后果自然是逆變開(kāi)關(guān)的嚴(yán)重發(fā)熱。在重新設(shè)計(jì)高頻變壓器（使它的實(shí)際漏感值降低到幾個(gè)μH）后，再投入實(shí)驗(yàn)，IGBT電力電子器件就不太發(fā)熱了。

最后遇到的困難是晶壓電源。實(shí)際上，晶壓電源是我們開(kāi)始就遇到的困難。晶壓電源采用單端開(kāi)關(guān)電源，其前級(jí)為可調(diào)穩(wěn)壓集成電路。開(kāi)始調(diào)試時(shí)，晶壓電源的參數(shù)可以達(dá)到，只不過(guò)晶壓電源噪音大并且可調(diào)穩(wěn)壓集成電路發(fā)熱嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多次努力仍然無(wú)多大改善，只好放到最后解決。該晶壓電源是按照某單位激光電源的圖紙做的。由于其運(yùn)行狀況不好，我們最后才懷疑圖紙有誤。因?yàn)橐郧拔覀儧](méi)有做過(guò)單端開(kāi)關(guān)電源，只好從頭學(xué)起。發(fā)現(xiàn)圖紙上高頻整流為倍壓式整流→可能導(dǎo)致高頻變壓器磁通不能復(fù)位→高頻變壓器磁通進(jìn)入飽和態(tài)→飽和必然導(dǎo)致負(fù)載電流過(guò)大→電流過(guò)大導(dǎo)致可調(diào)穩(wěn)壓集成電路發(fā)熱嚴(yán)重。為了判斷我們的分析是否正確，只將倍壓式整流中的一個(gè)電容器的一個(gè)腿剪斷，其它條件不變，剛一通電，往日的晶壓電源噪音全無(wú)，可調(diào)穩(wěn)壓集成電路也不發(fā)熱了。開(kāi)始我們以為晶壓電源壞了，可是晶壓指示卻奇跡般地穩(wěn)穩(wěn)地停在了5000V上了！

3?5不斷地研究新問(wèn)題

科學(xué)在進(jìn)步，技術(shù)在發(fā)展，任何課題或產(chǎn)品的先進(jìn)性都只能是暫時(shí)的。為此，我們要不斷地學(xué)習(xí)，不斷地研究新問(wèn)題。激光電源就存在很多新問(wèn)題，需要我們不斷地研究。

　　比如激光電源的輸入功率因數(shù)一般都比較低，這意味著有很多無(wú)功功率在無(wú)用地傳遞著，造成交流電源的利用率比較低，是一種很大的浪費(fèi)。造成激光電源的輸入功率因數(shù)比較低的原因是：開(kāi)關(guān)電源都采用交流電源直接輸入后經(jīng)過(guò)整波濾波的環(huán)節(jié)，而濾波電容器上的電壓在大部分時(shí)間內(nèi)都高于交流電源的電壓，整流器件的特性決定了它只有在交流電源電壓的瞬時(shí)值高于濾波電容器上電壓的小部分時(shí)間內(nèi)才導(dǎo)通，這種小部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電流為尖脈沖電流，其中含有大量的諧波成分，而這些諧波成分均為無(wú)功分量。因此提高輸入功率因數(shù)就成為當(dāng)前需要研究并解決的新問(wèn)題。

再一個(gè)問(wèn)題是激光電源的電磁干擾。由于激光電源的主電路工作在高頻、高壓和大電流狀態(tài)，因此激光電源是一種強(qiáng)干擾源。最近，我們對(duì)一臺(tái)YAG激光電源的電磁干擾進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果證實(shí)激光電源的電磁干擾非常嚴(yán)重，特別是激光電源的電場(chǎng)發(fā)射值嚴(yán)重超過(guò)國(guó)軍標(biāo)GJB151A的限值，有的頻段超標(biāo)達(dá)千倍以上。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中不注意采取相應(yīng)的電磁兼容性措施，必然會(huì)對(duì)弱電等敏感設(shè)備造成干擾而使整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。因此電磁兼容性問(wèn)題也是當(dāng)前需要繼續(xù)研究并解決的新問(wèn)題。

另外的問(wèn)題還有激光輸出時(shí)間穩(wěn)定性、激光電源小型化等。

3?6團(tuán)結(jié)協(xié)作精神

當(dāng)今的科研課題越來(lái)越復(fù)雜，所涉及的專業(yè)越來(lái)越多。激光電源就是一個(gè)較復(fù)雜的課題，所涉及的專業(yè)包括供電、電器、電源、自動(dòng)控制、電力電子、高電壓、微電子、機(jī)械設(shè)計(jì)以及電磁兼容等多種專業(yè)。課題本身就是一個(gè)系統(tǒng)工程，它由許多不同專業(yè)組成的子系統(tǒng)，通過(guò)接口構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)，這不是一個(gè)人可以獨(dú)立完成的，離不開(kāi)統(tǒng)籌和嚴(yán)密的組織分工，協(xié)調(diào)和協(xié)作。因此科研人員沒(méi)有團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神是搞不好課題研究的。這也是我們克服一個(gè)又一個(gè)困難，有條不紊地提前完成了激光電源課題研究任務(wù)的思想保證和組織保證。