CN103746436B - 一种输出功率恒定的固体激光电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出功率恒定的固体激光电源，其包括有依次连接的EMI滤波模块、整流滤波电路、充电开关控制模块、实时检测模块、实时监控处理模块、隔离开关驱动模块、恒定功率充电模块和储能模块。本发明通过输出功率可靠的充电电压,来保证激光输出能量精确、稳定，有效地抑制了高次谐波电流的污染，显著提高了电力的利用率，解决了因工业电网电压的不规则的浮动变化，而导致充电电路充电能力欠缺或饱和的问题，保证了激光电源充电功率的恒定。

Description

一种输出功率恒定的固体激光电源

技术领域

本发明涉及固体激光器电源，尤其涉及一种输出功率恒定的固体激光电源。

背景技术

自1960年第一台激光器诞生，激光技术与应用的发展非常迅速，应用到各个技术领域，激光加工技术也处在全面的发展和不断的改进完善之中，其激光设备已广泛的应用于航空航天、兵器制造、光通信、医疗器械、IT、电子器件、精密器械、钟表眼镜、首饰饰品、太阳能、汽车配件、工艺礼品及其他激光对外加工服务等各种制造行业。并且从应用的效果、加工的效率等方面看，激光加工技术已经逐步取代了传统的加工技术；并得到迅猛的发展。而激光电源作为激光器的核心部分，其性能的好坏直接影响到整个激光设备的技术指标，关系到激光工业设备使用的加工质量。

当前的固体激光电源使用LC充电方式，主电路拓扑采用非隔离BOOST或BUCK电路，有恒压和恒流两种控制模式。以恒定的电压或电流给储能电容器充电，提高充电效率，改善了电源的稳定性，基本满足了高重复频率的要求。目前市场上还在大量使用这种类型的电源。其主要缺点是电源输出功率随电网输入电压变化而波动,激光输出的能量不稳定，功率因数太低，电源的谐波电流大，有较大的电磁干扰；安全可靠性不高，且生产成本高。其谐波电流污染的危害可概括为：1、对激光电源本身增大输入损耗，降低整机效率无功损耗过大；2、对电网邻近用户的尖刺噪声干扰，至使设备失控，配电装置过电流过热、温升过高而起火，危及电网的安全运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种输出功率恒定的固体激光电源，本发明通过输出功率可靠的充电电压,来保证激光输出能量精确、稳定，有效地抑制了高次谐波电流的污染，显著提高了电力的利用率，解决了因工业电网电压的不规则的浮动变化，而导致充电电路充电能力欠缺或饱和的问题，保证了激光电源充电功率的恒定。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种输出功率恒定的固体激光电源，其包括有依次连接的EMI滤波模块、整流滤波电路、充电开关控制模块、实时检测模块、实时监控处理模块、隔离开关驱动模块、恒定功率输出模块和储能模块，其中：所述EMI滤波模块用于抑制外部电网电压产生的差模干扰和共模干扰；所述整流滤波电路用于对EMI滤波模块输出的电信号进行整流和滤波，输出平滑的脉动直流电压分别至充电开关控制模块和恒定功率输出模块；所述充电开关控制模块通过控制其导通状态来控制主回路的充电状态；所述实时检测模块用于对主回路的电流和电压信号进行采集，输出实时检测信号至实时监控处理模块；所述实时监控处理模块用于对实时检测信号进行处理，根据处理结果输出PWM信号至隔离开关驱动模块；所述隔离开关驱动模块根据该PWM信号驱动恒定功率输出模块，以令恒定功率输出模块将整流滤波电路输出的脉动直流电压变换恒定的电压信号，并且输出至储能模块。

优选地，所述实时监控处理模块还连接有多级联动保护装置，所述多级联动保护装置为过流保护电路、欠压保护电路、过热保护电路和过压保护电路中的任意一种或者几种的结合。

优选地，所述充电开关控制电路包括有软启动保护电路，所述软启动电路用于调节电解电容的充电电流。

优选地，所述实时检测模块包括电流检测模块、输出电压采样电路、基准电压源电路和比较电路，所述电流检测模块用于检测充电开关控制电路输出电流的变化值，并且输出电流检测信号至实时监控处理模块；所述输出电压采样电路对固体激光电源的输出电压进行分压取样，将取样电压传输至比较电路，所述基准电压源电路输出基准电压至比较电路，所述比较电路将取样电压和基准电压进行比较，输出电压检测信号至实时监控处理模块。

优选地，所述电流检测模块是霍尔电流传感器。

优选地，所述输出电压采样电路由分压电阻、运算放大器和光电耦合器构成。

优选地，所述实时监控处理模块包括有PWM控制器。

优选地，所述恒定功率输出模块包括由DC-DC变换器、电感L1、二极管D1和电容C3构成的boost升压电路。

优选地，所述DC-DC变换器为IGBT开关管。

优选地，所述充电开关控制模块包括有电阻R1和开关S1，电阻R1和开关S1相互并联后连接于整流滤波电路的输出端。

本发明公开了一种输出功率恒定的固体激光电源，其包括有依次连接的EMI滤波模块、整流滤波电路、充电开关控制模块、实时检测模块、实时监控处理模块、隔离开关驱动模块、恒定功率输出模块和储能模块。本发明通过输出功率可靠的充电电压,来保证激光输出能量精确、稳定，有效地抑制了高次谐波电流的污染，显著提高了电力的利用率，解决了因工业电网电压的不规则的浮动变化，而导致充电电路充电能力欠缺或饱和的问题，保证了激光电源充电功率的恒定。

附图说明

图1为固体激光电源的电路框图。

图2为本发明第一实施例的电路框图。

图3为本发明第二实施例的电路框图。

图4为本发明第三实施例的电路框图。

图5为本发明第四实施例的电路原理图。

图6为本发明固体激光电源输出电流、电压波形示意图。

图7为现有的激光电源输出电流、电压波形示意图。

图8为现有的另一种激光电源输出电流、电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种输出功率恒定的固体激光电源，如图1所示，其包括有依次连接的EMI滤波模块1、整流滤波电路2、充电开关控制模块3、实时检测模块4、实时监控处理模块5、隔离开关驱动模块6、恒定功率输出模块7和储能模块8，其中：EMI滤波模块1用于抑制外部电网电压产生的差模干扰和共模干扰；整流滤波电路2用于对EMI滤波模块1输出的电信号进行整流和滤波，输出平滑的脉动直流电压分别至充电开关控制模块3和恒定功率输出模块7，充电开关控制模块3接收整流滤波电路2产生的脉动小的直流电压，并通过对其充电节点电压的实时监控，以一定的时序的完成充电，通过控制交流接触器的闭合，确保充电过程的顺利完成；充电开关控制模块3通过控制其导通状态来控制主回路的充电状态；实时检测模块4用于对主回路的电流和电压信号进行采集,输出实时检测信号至实时监控处理模块5；实时监控处理模块5优选包括有PWM控制器，该实时监控处理模块5用于对实时检测信号进行处理，根据处理结果输出PWM信号至隔离开关驱动模块6；隔离开关驱动模块6根据该PWM信号驱动恒定功率输出模块7，以令恒定功率输出模块7将整流滤波电路2输出的脉动直流电压变换恒定的电压信号，并且输出至储能模块8，从而实现主回路的恒功率充电。作为一种优选方式，实时监控处理模块5还连接有多级联动保护装置80，多级联动保护装置80为过流保护电路、欠压保护电路、过热保护电路和过压保护电路中的任意一种或者几种的结合。本发明通过输出功率可靠的充电电压,来保证激光输出能量精确、稳定，有效地抑制了高次谐波电流的污染，显著提高了电力的利用率，解决了因工业电网电压的不规则的浮动变化，而导致充电电路充电能力欠缺或饱和的问题，保证了激光电源充电功率的恒定。

关于该固体激光电源的具体电路结构，本发明提出如下两个实施例。

实施例1：

结合图1和图2所示，充电开关控制电路3包括有软启动保护电路，软启动电路用于调节电解电容的充电电流。本实施例中，充电开关控制模块3在实际应用中，其开关控制电路可以是运算放大器，可控硅、光电耦合器，稳压二极管及逻辑门电路组成。其控制原理是：首先是实时监控处理模块5接收多级联动保护装置80输出的开始充电信号，光电耦合器收到开始充电信号点亮状态LED指示灯，同时输出一高电平给与非门，通过驱动一交流光藕触发可控硅导通，控制交流接触器闭合，让交流电通过其大电流大电压接触开关给整流器件开始充电；由于电容两端的电压不能突变的特性，在开始充电的阶段需要给大的电解电容缓慢充电，故采用软启动电路对其保护；在充电电压充到设定的参考电压时，受控的另一交流接触器闭合，通过软启动电路增大充电电流，实现快速充电，让电容电压加速充至设定电压值，受控的主回路一交流接触器闭合，此时充电电流达到最大值，充电完成，本实施例中，上述具体的充电开关控制模块中的运算放大器可以是LM293、OPA2227、TL072等芯片，光电耦合器可以是ILD217T、TLP521、PC817等芯片。上述实时检测模块4是对整流滤波电路2产生的电流检测信号处理，同时对储能模块8电压采样处理，把实时检测的电流和电压信号脚传送给实时监控处理模块5运算处理，输出一脉冲宽度调制信号。

实时检测模块4包括电流检测模块109、输出电压采样电路120、基准电压源电路130和比较电路140，电流检测模块109用于检测充电开关控制电路3输出电流的变化值，并且输出电流检测信号至实时监控处理模块5；输出电压采样电路120对固体激光电源的输出电压进行分压取样，将取样电压传输至比较电路140，基准电压源电路130输出基准电压至比较电路140，比较电路140将取样电压和基准电压进行比较，输出电压检测信号至实时监控处理模块5。具体地，电流检测模块109优选是霍尔电流传感器，主要用于检测一次整流滤波电路103与软启动电路104构成回路的电流变化值，并产生相应的电流检测信号。其输出电压采样电路20由分压电阻、运算放大器、光电耦合器等构成，通过对恒功率充电电路107的输出电压1：120倍的分压取样，得到一参考电压，与送到比较电路140的基准电压源电路130的电压比较，产生相应的电压检测信号，与电流检测信号一起输入到PWM控制器进行运算处理，输出相应开关频率的PWM信号，该隔离开关驱动模块6包括IGBT驱动模块160，恒定功率输出模块7包括DC/DC变换器105、二次整流滤波电路106和恒功率充电电路107。

实施例2：

结合图1和图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，充电开关控制模块3包含整流滤波电路203和软启动保护电路204，，实时检测模块4主要由电流误差放大器209，电压误差放大器220及乘法器240三部分电路组成，多级联动保护装置80主要包括过热、过流、欠压、过压保护电路等，具体由比较器、光电耦合器、温度传感器，电流传感器，高压稳压管等器件构成，通过对上电的各个工作状态进行监控保护，保障激光电源安全可靠的运行。

实时监控处理模块5主要包括PWM控制器250，实时监控处理模块5是对主回路实时检测模块4产生的信号进行运算处理，通过隔离开关驱动模块驱动IGBT开关，来实现主电路的恒功率充电，该隔离开关驱动模块6包括功率器件驱动模块260；恒定功率输出模块7包括DC/DC变换器205和恒功率充电电路206，储能模块8主要包括由滤波储能器件构成的储能电路。

在上述实施例的电路结构基础之上，使得本发明具有稳定输出功率的固体激光电源的特性，其设计原理及具体电路构成采用有源功率因数校正技术和恒定功率充电控制技术，具有高次谐波幅度小、功率因数高和输出功率稳定的特点。

早期的激光电源由于无PFC电路，电网电压直接经过全桥二极管整流之后由大电容滤波,它只有在电网输入的交流电压幅度高于大电容量电容器上的充电电压时，才会让二级管整流器导通输出电流，使得整流器的导通角减少到1/3，而在大部分时间里整流器处于截止状态，这使电流波形变成非正弦的窄脉冲，产生了大量的谐波干扰分量。如图8为早期无源PFC电路的电流电压波形结构示意图，其功率因数PF值只有0.5～0.65。

目前正在市场大量使用的LC方式的激光电源,它是一种改进型无源PFC电路,即所谓的“填谷式”PFC电路，如图7为目前改进性无源PFC电路的电流电压波形结构示意图所示，虽然其谐波干扰有所减少，但依旧不能彻底解决干扰及输出功率稳定的问题；其功率因数PF值约0.8～0.9。

本发明的具体实施例中，采用上述的有源功率因数校正技术和恒定功率充电控制技术，可解决上述技术难题；其有源PFC电路的电流电压波形结构示意图如图6所示，其功率因数PF值为0.8～0.99。具体实施例如下。以实施例2为例，本发明PWM控制器可以是UC3854、UCC2806DW、ML4821、TL494等芯片。的DC/DC变换器主要由电抗器、大功率开关器件IGBT、超快恢复模块及大的电解电容构成；在专用的IGBT驱动器的作用下，通过PWM信号的实时控制IGBT开关，向储能元件充放电，实现了恒功率充电。

在本发明的滤波整流电路203得到的电压波形作为PFC控制器的输入电流的参考波形，输入到乘法器，为了保证输出电压的恒定，将输出电压通过电压反馈网络也引入乘法器，经过乘法器运算后，作为电流波形的参考值，并与实际取样的电流进行比较后，通过PWM控制器产生PWM驱动信号，控制升压变换器的输出电流和电压。由于采用了双闭环控制，将升压变换器的实际电流通过反馈网络引入电流误差放大器，保证了升压变换器的电流能够准确跟踪经过乘法器运算所规定的电流值。在PFC的整个控制环节下，则输入电流波形就能够完全跟踪电压波形的变化，实现了功率因数校正的功能；有效地抑制了电流谐波产生的电磁干扰，提高了电力使用的效率，保证了功率的稳定输出。

实施例3：

本实施例中，如图4所示，该固体激光电源的主回路包括EMI滤波模块1、交流接触器KM1、整流滤波电路2、充电开关控制模块3和DC-DC变换器105，该DC-DC变换器105优选为IGBT开关管构成的开关电路，该DC-DC变换器105与电感L1、二极管D1和电容C3构成具有隔离式boost升压电路功能的恒定功率输出模块，该固体激光电源还包括有电流检测模块14、电压检测模块15、温度监测模块16、PWM控制器17和功率驱动模块18。

该充电开关控制模块3包括有电阻R1和开关S1，电阻R1和开关S1相互并联后连接于整流滤波电路2的输出端，通过控制开关S1的通/断对主回路进行预充电，避免过大的电流冲击。

该主回路上绕制有线圈，该线圈构成霍尔电流传感器并且其输出端与电流检测模块14相连，并且该线圈将其检测到的感应电流传输至电流检测模块14，并且经由该电流检测模块14处理后传输至PWM控制器17，电压检测模块15采集该主回路输出侧的电压，并且将该电压信号传输至PWM控制器17，温度监测模块16的输入端连接有温度传感器，该温度传感器安装于DC-DC变换器105上，用于采集该DC-DC变换器105的温度，并且将温度数据转换为电信号并且传输至PWM控制器17，PWM控制器17的输出端与功率驱动模块18相连，功率驱动模块8的输出端与DC-DC变换器105的控制端相连，该PWM控制器17根据上述模块采集的主回路电流、输出电压和温度数据调整其输出的PWM信号的占空比，并且利用该PWM信号调整DC-DC变换器105的通/断时间，使得激光电源输出稳定的电压。

本实施例中的固体激光电源，其采用了电流检测模块14、电压检测模块15、温度监测模块16对主回路的电流、电压和温度进行检测，再根据所检测的信号对输出电压进行修正，使得该激光电源仅有极小的温度漂移，很高的输出电压稳定度，很好的负载和线性调整率，很宽的工作温度范围及很宽的输入电压范围，保证了激光电源的输出功率恒定。

实施例4：

本实施例中，如图5所示为电流检测电路、电压检测电路、乘法器和PWM控制器的连接关系及电路原理图，其中，Vref为基准电压源，控制回路给充电回路提供恒定的电压，LEM为电流传感器，电流传感器用于检测主回路的电流信号。该电路包括误差放大电路、模拟乘法器340、振荡电路346、比较及驱动电路构成，该误差放大电路主要由电阻R10、R20、R31、R11、电容器C22、C11及放大器U80等构成，电压检测电路主要由高压稳压管Z10、Z11、Z13、快速光电耦合器U30、R36等组成，比较及驱动电路优选为比较器351、比较器352、与非门350和反相器360。

在软起动缓慢充电至充电完成过程中，主回路的输出电流检测信号LEM与Vref信号比较，产生相应的幅度的电压值，同时，输出回路的电压信号通过快速光电耦合器U30及R40送到乘法器的Y端，与通过R30送到乘法器X端的LEM信号同时作用，通过振荡器分别与比较器比较处理，实时调节占空比，产生相应的脉宽调制信号(PWM)输出给功率驱动模块，驱动IGBT以连续的频率开关，达到Boost电路恒定功率充电。

以上只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，包括有依次连接的EMI滤波模块、整流滤波电路、充电开关控制模块、实时检测模块、实时监控处理模块、隔离开关驱动模块、恒定功率输出模块和储能模块，其中：

所述EMI滤波模块用于抑制外部电网电压产生的差模干扰和共模干扰；

所述整流滤波电路用于对EMI滤波模块输出的电信号进行整流和滤波，输出平滑的脉动直流电压分别至充电开关控制模块和恒定功率输出模块；

所述充电开关控制模块通过控制其导通状态来控制主回路的充电状态；

所述实时检测模块用于对主回路的电流和电压信号进行采集，输出实时检测信号至实时监控处理模块，所述实时检测模块包括电流检测模块、输出电压采样电路、基准电压源电路和比较电路，所述电流检测模块用于检测充电开关控制电路输出电流的变化值，并且输出电流检测信号至实时监控处理模块；所述输出电压采样电路对固体激光电源的输出电压进行分压取样，将取样电压传输至比较电路，所述基准电压源电路输出基准电压至比较电路，所述比较电路将取样电压和基准电压进行比较，输出电压检测信号至实时监控处理模块；

所述实时监控处理模块用于对实时检测信号进行处理，根据处理结果输出PWM信号至隔离开关驱动模块；

所述隔离开关驱动模块根据该PWM信号驱动恒定功率输出模块，以令恒定功率输出模块将整流滤波电路输出的脉动直流电压变换恒定的电压信号，并且输出至储能模块。

2.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述实时监控处理模块还连接有多级联动保护装置，所述多级联动保护装置为过流保护电路、欠压保护电路、过热保护电路和过压保护电路中的任意一种或者几种的结合。

3.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述充电开关控制电路包括有软启动保护电路，所述软启动电路用于调节电解电容的充电电流。

4.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述电流检测模块是霍尔电流传感器。

5.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述输出电压采样电路由分压电阻、运算放大器和光电耦合器构成。

6.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述实时监控处理模块包括有PWM控制器。

7.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述恒定功率输出模块包括由DC-DC变换器、电感L1、二极管D1和电容C3构成的boost升压电路。

8.如权利要求7所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述DC-DC变换器为IGBT开关管。

9.如权利要求1所述的输出功率恒定的固体激光电源，其特征在于，所述充电开关控制模块包括有电阻R1和开关S1，电阻R1和开关S1相互并联后连接于整流滤波电路的输出端。