一.常用固體鐳射電源的組成及特點

1.1 鐳射電源設計要求和技術指標

電源輸出能量必須使工作物質的反轉粒子數大於閾值•·✘↟│，超過越多•·✘↟│，輸出光能越大·╃。電源的功率和設計方案應隨估算出的泵浦能量而定•·✘↟│，這主要取決於工作物質的電光轉換效率·╃。為使鐳射輸出穩定•·✘↟│，要求電源的輸出能量必須穩定·╃。總體而言有如下幾點│✘₪•·：1.為使放電器件有高的動力指標和執行指標•·✘↟│，電源的輸出電壓或電流特性必須與負特性匹配·╃。2.為使鐳射器輸出能量均可調•·✘↟│，一些電源主要引數既能手動控制•·✘↟│，也能自動控制·╃。3.要求電源的泵浦電壓•·✘↟│，電流穩定·╃。4.鐳射電源發展向小型化•·✘↟│，重量輕•·✘↟│，效率高的方向發展·╃。5.使用要安全可靠•·✘↟│，要有過壓•·✘↟│，過流等現象的保護電路·╃。

1.2 傳統固體鐳射電源的組成

傳統固體鐳射電源由專用供電電源（充電和放電電路）·☁✘•、預燃電路·☁✘•、觸發電路及定時（同步）電路組成·╃。

1.3 鐳射電源的工作原理

單向AC220v.50/60Hz輸出整流•·✘↟│，經軟啟動後在濾波電容上形成一個直流電源·╃。氙燈點燃後•·✘↟│，給出訊號到控制板•·✘↟│，若主電路沒有欠壓·☁✘•、過流•·✘↟│，鐳射器冷卻液斷水等故障•·✘↟│，控制板允許主電路工作•·✘↟│，產生40kHz左右的震盪訊號到驅動板•·✘↟│，在驅動訊號的驅動下•·✘↟│，功率開關元件VMOS將直流電壓變換成40kHz的交變電壓•·✘↟│，經過高頻高壓器進行開壓•·✘↟│，高頻整流橋整流後•·✘↟│，送到充電儲能網路•·✘↟│，當儲能電容充到額定電壓時•·✘↟│，控制板板給出停振訊號•·✘↟│，逆變電路停止工作·╃。在系統訊號驅動下•·✘↟│，儲能電容給氙燈放電·╃。在主電路工作過程中•·✘↟│，調Q電源給出一個2000~5000v的晶體高壓·╃。氙燈放電時•·✘↟│，相對放電訊號延時50~400us•·✘↟│，退壓觸發訊號也送到調Q電源板上·╃。另外•·✘↟│，電源還具有內外時統轉換功能•·✘↟│，電源可由外時統控制放電•·✘↟│，並具有時統輸出端·╃。

二.放電電路的特點及設計方法

2.1放電開關的選擇

放電電路在鐳射器電源中起很重要的作用•·✘↟│，在放電電路中•·✘↟│，把儲存在儲能器中的電能直接轉換成光能•·✘↟│，因此放電電路決定了鐳射器的效率·╃。論文參考•·✘↟│，放電開關IGCT·╃。當工作物質熒光壽命一定時•·✘↟│，要求的泵浦光脈衝就一定·╃。目前占主導地位的功率半導體器件主要有閘流體·☁✘•、GTO和IGBT等•·✘↟│，隨著技術水平的不斷提高•·✘↟│，這些傳統器件無論在功率容量還是在應用複雜程度等方面都有了長足的進步•·✘↟│，但在實用方面還存在一些缺陷·╃。傳統GTO關斷不均勻•·✘↟│，需要笨重而昂貴的吸收電路·╃。另外•·✘↟│，因其門極驅動電路複雜•·✘↟│，所需控制功率大•·✘↟│，這就使得設計複雜•·✘↟│，製造成本高•·✘↟│，電路損耗大·╃。IGBT雖無需要吸收電路•·✘↟│，但它的通態損耗大•·✘↟│，而且可靠性不高·╃。另外•·✘↟│，單個IGBT的阻斷電壓較近•·✘↟│，即使是新型的高壓應用場合須串聯•·✘↟│，增加了系統的複雜性和損耗·╃。

IGCT是一種新型的電力電子器件•·✘↟│，它將GTO晶片與及並聯二極體和門極驅動電路整合在一起•·✘↟│，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連線•·✘↟│，結合了電晶體和閘流體兩種器件的優點•·✘↟│，即電晶體的穩定的關斷能力和閘流體的低通態損耗·╃。IGCT具有電流大·☁✘•、電壓高·☁✘•、開關頻率高·☁✘•、可靠性高·☁✘•、結構緊湊·☁✘•、損耗低的特點·╃。此外•·✘↟│，IGCT還像GTO一樣•·✘↟│，具有製造成本低和成品率高的特點•·✘↟│，有極好的應用前景·╃。IGCT的一個突出的優點是儲存時間短•·✘↟│，因而在串聯應用時•·✘↟│，各個IGCT關斷時間的偏差極小•·✘↟│，其分擔的電壓會較為均衡•·✘↟│，所以適合大功率應用•·✘↟│，正好適合本實驗·╃。

2.2 預燃電路

放電電路的電光轉換效率對鐳射輸出的高低非常重要·╃。為了提高電光轉換效率•·✘↟│，減少電磁輻射的干擾•·✘↟│，提高燈的幫助•·✘↟│，在放電電路中採用了預燃型放電電路·╃。這種電路與一般放電電路不同之處在於•·✘↟│，有一附加的直流高壓電源•·✘↟│，這種高壓電源可採用任何一種整流方式•·✘↟│，關鍵是能夠給出一定的電壓和電流·╃。當然•·✘↟│，採用LC恆流變換器是理想的預燃電路•·✘↟│，由於電路中有高壓直流電源•·✘↟│，燈始終處於穩定的輝光狀態•·✘↟│，而流過燈的預燃電流將由預燃電路中的限流元件來限定·╃。為了保證儲能器的能量以一定頻率向燈供給•·✘↟│，在燈與儲能器之間接有放電開關·╃。

三.保護電路極其設計方法

3.1 電源保護電路的考慮│✘₪•·：欠壓·☁✘•、過壓保護

欠壓·☁✘•、過壓保護在鐳射電源中很重要·╃。如果欠壓•·✘↟│，為了輸出額定功率•·✘↟│，則必須具有過大的輸入電流·╃。如果過壓•·✘↟│，則電源有過高的輸入電壓峰值•·✘↟│，增大了對於逆變橋中IGBT功率開關的反向耐壓•·✘↟│，易造成過壓擊穿·╃。故為保證系統工作穩定必須具有欠壓·☁✘•、過壓保護電路•·✘↟│，電路如圖3所示·╃。利用電阻R,R1,R2取樣•·✘↟│，在LM339,2D1-4門透過調節電位器Rw•·✘↟│，將電網輸入電壓限制在AC380土10%的允許變化內·╃。

3.2過流保護

設定過流保護電路主要解決兩個問題│✘₪•·：其儀│✘₪•·：保護電源在各種強幹擾環境工作時•·✘↟│，充電電路中不因逆變失敗使功率開光（IGBT）超過額定電流值而損壞·╃。其二•·✘↟│，保證脈衝電源按脈衝方式進行從放電•·✘↟│，一旦出現氙燈連弧故障時主迴路過流加以切斷•·✘↟│，實現保護·╃。

3.3其他保護

為了保證鐳射器安全工作和操作人的人身安全•·✘↟│，在鐳射電源的設計中•·✘↟│，無源水壓控制•·✘↟│，溼度控制和鐳射腔蓋控制•·✘↟│，利用與門關係•·✘↟│，不論哪方面出現故障保護•·✘↟│，電路接收到故障訊號均及時的關斷逆變訊號控制•·✘↟│，進行報警·╃。