資料介紹
對于用于閃光燈泵浦式脈沖固體激光器且配備了外部驅動型反激式轉換器的電容器充電裝置而言,本例可大幅提高其轉換效率。在閃光燈泵浦式脈沖固體激光器中,當向蓄能電容器充入高電壓時,所充入的電能由提供給閃光燈的電能而定。
反激式轉換器拓撲很適合于電容器充電電源的設計。傳統的反激式轉換器電路采用電壓反饋按預定要求輸出電壓,以及采用脈沖寬度調制對電壓進行調整,但這樣的電路在出現電容性負載的情況下無法使用,原因如下:在反激式轉換器中,電能在開關裝置接通期間存儲,在關閉期間傳輸。為了向蓄能電容器充入預定的電能,需要經歷多個存儲和傳輸周期。
為了讓存儲的電能達到預定值,在每個電能傳輸周期中,電容器都會獲得一定的電壓階躍,所獲電壓階躍的量級也會隨著電容器電壓的升高而逐漸降低。在最后一個存儲和傳輸周期內,開關裝置的關閉期按預定要求降至最小值,而在此期間負載達到最終需要的電壓。如果通過設計,試圖讓轉換器開關裝置使用固定的開關頻率,那么就會降低轉換器的運行效率。如果開關頻率過高,那么在早期充電階段,電能可能無法完全傳輸。這可能會對連接至原邊的電路元件造成損害。此外,由此產生的剩余磁通也可能會導致鐵芯飽和。而如果開關頻率過低,那么轉換器在后期充電的大部分時間內都會處在空轉狀態。
我們采用了一種基于閉環反饋系統的設計方法,可確保電能在輸入波形的每個周期內都可以被充分傳輸。事實上,該系統還可以實時監測儲能電容器電壓的狀態。在這樣的系統中,每個周期的時長都會縮短,這是為了使接通時間保持固定。也就是說,開關裝置的關閉時間會根據電能傳輸的要求而縮短。因此,這種設計方法較為理想,因為它既能確保將充電時間縮到最短,又能實現最佳的變壓器設計。
下圖所示的是用于20Hz調QNd-YAG激光器且配備了反激式轉換器的電容器充電裝置的電路圖。在這個設計方案中,可按要求在50ms之內對30μF的蓄能電容器充入15J的電能,從而確保激光器在20Hz的條件下可正常運行。

該電路通過外部驅動型反激式配置而運行。在MOSFET開關接通期間電能得以存儲,而在MOSFET開關關閉期間,電能則被傳輸至蓄能電容器。在電能每次被傳輸至二級電路時,輸出電容器都會獲得一定的電壓階躍,所獲電壓階躍的量級也會隨著電容器電壓的升高而不斷降低。與此同時,開關裝置的關閉時長也會相應縮短。隨后,蓄能電容器的電壓會被探測到,從而產生控制電壓VS.該控制電壓被傳輸至減法器U2,從而減掉其中的基準負電壓VREF1.由此,減法器的輸出電壓為VR=VS-VREF1,接著VR將被輸往壓頻轉換器U1;這樣一來,利用電容器電壓就可以線性地改變轉換器的工作頻率。
如果儲能電容器最初未充電,輸出電壓則為0,在這種情況下VS=VS(min)=0V.根據U2的輸出可得到少量的正電壓(VR(min)或-VREF1)。該電壓決定了壓頻轉換器輸出的初始期。壓頻轉換器輸出的電壓傳輸至單穩多諧振蕩器U5,使開關裝置的接通時間達到固定值。隨著儲能電容器的電壓逐漸升高,傳至壓頻轉換器的控制電壓也隨之增加,這就縮短了開關裝置的關閉時間。電壓環路將VC(輸出電壓的一部分)與基準電壓VREF2進行比較,從而為單穩態電路產生復位脈沖,以獲得預期的輸出電壓。
該充電裝置還可以冷卻轉換器,防止閃光燈因余光發熱。為冷卻閃光燈,必須在閃光燈發光指令下發瞬間的幾毫秒內去使能儲能電容器的充電功能。在此期間通過延遲啟動U5就可以實現這一點。而利用發光指令脈沖觸發第二個單穩態U7即可延遲U5的啟動。如果出現轉換結束(EOC)輸出即表明充電已經完成。
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反激式轉換器拓撲很適合于電容器充電電源的設計。傳統的反激式轉換器電路采用電壓反饋按預定要求輸出電壓,以及采用脈沖寬度調制對電壓進行調整,但這樣的電路在出現電容性負載的情況下無法使用,原因如下:在反激式轉換器中,電能在開關裝置接通期間存儲,在關閉期間傳輸。為了向蓄能電容器充入預定的電能,需要經歷多個存儲和傳輸周期。
為了讓存儲的電能達到預定值,在每個電能傳輸周期中,電容器都會獲得一定的電壓階躍,所獲電壓階躍的量級也會隨著電容器電壓的升高而逐漸降低。在最后一個存儲和傳輸周期內,開關裝置的關閉期按預定要求降至最小值,而在此期間負載達到最終需要的電壓。如果通過設計,試圖讓轉換器開關裝置使用固定的開關頻率,那么就會降低轉換器的運行效率。如果開關頻率過高,那么在早期充電階段,電能可能無法完全傳輸。這可能會對連接至原邊的電路元件造成損害。此外,由此產生的剩余磁通也可能會導致鐵芯飽和。而如果開關頻率過低,那么轉換器在后期充電的大部分時間內都會處在空轉狀態。
我們采用了一種基于閉環反饋系統的設計方法,可確保電能在輸入波形的每個周期內都可以被充分傳輸。事實上,該系統還可以實時監測儲能電容器電壓的狀態。在這樣的系統中,每個周期的時長都會縮短,這是為了使接通時間保持固定。也就是說,開關裝置的關閉時間會根據電能傳輸的要求而縮短。因此,這種設計方法較為理想,因為它既能確保將充電時間縮到最短,又能實現最佳的變壓器設計。
下圖所示的是用于20Hz調QNd-YAG激光器且配備了反激式轉換器的電容器充電裝置的電路圖。在這個設計方案中,可按要求在50ms之內對30μF的蓄能電容器充入15J的電能,從而確保激光器在20Hz的條件下可正常運行。

該電路通過外部驅動型反激式配置而運行。在MOSFET開關接通期間電能得以存儲,而在MOSFET開關關閉期間,電能則被傳輸至蓄能電容器。在電能每次被傳輸至二級電路時,輸出電容器都會獲得一定的電壓階躍,所獲電壓階躍的量級也會隨著電容器電壓的升高而不斷降低。與此同時,開關裝置的關閉時長也會相應縮短。隨后,蓄能電容器的電壓會被探測到,從而產生控制電壓VS.該控制電壓被傳輸至減法器U2,從而減掉其中的基準負電壓VREF1.由此,減法器的輸出電壓為VR=VS-VREF1,接著VR將被輸往壓頻轉換器U1;這樣一來,利用電容器電壓就可以線性地改變轉換器的工作頻率。
如果儲能電容器最初未充電,輸出電壓則為0,在這種情況下VS=VS(min)=0V.根據U2的輸出可得到少量的正電壓(VR(min)或-VREF1)。該電壓決定了壓頻轉換器輸出的初始期。壓頻轉換器輸出的電壓傳輸至單穩多諧振蕩器U5,使開關裝置的接通時間達到固定值。隨著儲能電容器的電壓逐漸升高,傳至壓頻轉換器的控制電壓也隨之增加,這就縮短了開關裝置的關閉時間。電壓環路將VC(輸出電壓的一部分)與基準電壓VREF2進行比較,從而為單穩態電路產生復位脈沖,以獲得預期的輸出電壓。
該充電裝置還可以冷卻轉換器,防止閃光燈因余光發熱。為冷卻閃光燈,必須在閃光燈發光指令下發瞬間的幾毫秒內去使能儲能電容器的充電功能。在此期間通過延遲啟動U5就可以實現這一點。而利用發光指令脈沖觸發第二個單穩態U7即可延遲U5的啟動。如果出現轉換結束(EOC)輸出即表明充電已經完成。
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