CN105006731A - 一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，包括氙灯、触发丝、高压发生器、主放电直流电源、预电离脉冲电源和反向隔离二极管；触发丝缠绕在氙灯上，高压发生器连接灯丝的两端，主放电直流电源一端连接反向隔离二极管的正极、另一端连接氙灯的负极。反向隔离二极管的负极连接氙灯的正极，预电离脉冲电源的两端分别连接氙灯的正极和负极；高压发生器给触发丝提供瞬间上万伏特电离电压；预电离脉冲电源给氙灯两端加载着火电压；反向隔离二极管防止着火电压作用在主放电直流电源两端；主放电直流电源为氙灯提供工作电压。本发明采用独立的预电离脉冲电源提供着火电压，同时造价低、小型化，能够在大功率下保持高寿命，适于实际工业应用。

Description

一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特指一种具有反向隔离二极管的大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统。

背景技术

结合当今激光技术的发展，目前脉冲型高能量固体激光器一般由Nd3+：Glass作为激光介质，脉冲型氙灯作为泵浦灯。脉冲氙灯选择优质滤紫外线石英管作为灯管材料，以高质密度电极为氙灯的电极，在一定的电输入能量，氙灯产生的辐射能力比其它气体强，具有泵浦效率高，负载能力强，寿命长等特点。而点亮脉冲氙灯需要三个电压由一定时序关系给氙灯供电：触发电压、着火电压以及工作电压。触发电压：瞬间上万伏电压，用以击穿氙灯；着火电压：氙灯击穿后，需继续提供一个电压，提供100-200mA的电流，维持灯管低阻导通；工作电压：由储能电容提供的氙灯正常工作所需的电压。目前市面上传统的脉冲氙灯供电电源，由一个高压发生器产生瞬间上万伏电压击穿氙灯，并继续提供1500v左右的着火电压使小功率氙灯维持100-200mA的低阻导通，然后由储能电容提供1000v左右的正常工作所需的电压。

但是，随着大功率激光装置的发展,为了得到更高功率的输出激光,要求作为光泵浦源的脉冲氙灯输入能量能够达到上万焦耳,并有比较高的辐射效率,从而辐射出更多的能量用以泵浦大型钕玻璃激光器及其放大系统。为了满足脉冲氙灯的高输入能量，则必须将氙灯的尺寸做大：两放电极间距即弧长在350mm以上，内径20mm以上。而上述传统的氙灯供电电源由于高压发生器所提供的着火电压有限，不能为大功率氙灯提供100-200mA的电流，维持灯管低阻导通，所以不足以稳定点亮大功率氙灯。基于这一问题，中国科学院上海光学精密机械研究所进行了研究，采用脉冲预电离技术，由预脉冲电源向脉冲氙灯提供着火电压，并且用引燃管隔离防止着火电压加载在主放电电容之上，但该供电系统所使用的装置，由于结构庞大复杂，高功率情况下寿命低等缺陷，只适合于实验室研究，不能用于实际工业应用。

发明内容

为了解决上述供电系统装置结构庞大复杂、寿命低等缺陷和不足，本发明提出了一种由快速高压二极管反向隔离的大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统。它可以高稳定性、高效率、长寿命给氙灯供电，并且小型化，工业实用性高。本发明采用的技术方案为：

一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，包括氙灯、触发丝、高压发生器、主放电直流电源、预电离脉冲电源和反向隔离二极管；

所述触发丝缠绕在所述氙灯的灯体上，所述高压发生器连接所述灯丝的两端，所述主放电直流电源为储能电容，所述储能电容的一端连接所述反向隔离二极管的正极、所述储能电容的另一端连接所述氙灯的负极端，所述反向隔离二极管的负极端连接所述氙灯的正极端，所述预电离脉冲电源为电容，所述电容的两端分别连接所述氙灯的正极端和负极端；

所述高压发生器给所述触发丝提供瞬间上万伏特电离电压，使所述氙灯内氙气电离；所述预电离脉冲电源由脉冲充电系统充电，所述预电离脉冲电源给所述氙灯两端加载着火电压；所述反向隔离二极管防止所述着火电压作用在所述主放电直流电源两端；所述氙灯内氙气为低阻导通；所述主放电直流电源由直流充电系统充电，所述主放电直流电源为所述氙灯提供工作电压。

进一步地，所述高压发生器包括：升压变压器T2、T3，二极管D10、D11、D12、D13、D14，双向稳压二极管U，电容C1、C2、C3、C4，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电感L2，晶闸管S；

T2原绕组两端之间接入220V电压，T2副绕组同名端接二极管D14的负极，T2副绕组异名端接D10的正极；D10的负极与D11的负极相连，D10正极与D13的负极相连；D13的正极与D14的正极相连；D14的负极与D11的正极相连；D11的负极与D12的正极相连，L2的一端接D12的负极，L2的另一端接触发丝的一端；R1与C1并联后的一端接D14的正极，R1与C1并联后的另一端接触发丝的另一端；R2的一端接D10的负极，R2另一端接电容C3的正极；C3的负极接T3原绕组异名端；R3一端接电容C3的正极，R3另一端接C2正极，C2的负极接T3副绕组异名端；R5并联在C2两端，R4一端接R3另一端，R4另一端接双向稳压二极管U的一端，双向稳压二极管U的另一端接R6的一端；R6的另一端接C2的负极；晶闸管S的门级接R6的一端，晶闸管S的阳极接电容C3的正极，晶闸管S的阴极接T3副绕组异名端；T3副绕组同名端接C4正极，C4负极接L2的另一端；T3原绕组同名端接地。

进一步地，所述直流充电系统采用全桥定频电压式充电电路，所述直流充电系统包括：三极管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D8、D9，电感L1，升压变压器T1；

Q1的集电极与Q3的发射极之间接入经稳压器稳压后的380V电压，Q1的集电极与D1的负极相连，Q1的发射极与D1的正极相连；Q2的集电极与D2的负极相连，Q2的发射极与D2的正极相连；Q3的集电极与D3的负极相连，Q3的发射极与D3的正极相连；Q4的集电极与D4的负极相连，Q4的发射极与D4的正极相连；Q1的集电极与Q2的集电极相连，Q1的发射极与Q3的集电极相连；Q3的发射极与Q4的发射极相连；Q2的发射极与Q4的集电极相连；L1的一端与Q1的发射极相连，L1的另一端与升压变压器T1原绕组同名端相连；T1原绕组异名端与Q2的发射极相连，T1副绕组同名端与D5的正极相连，T1副绕组异名端与D6正极相连；D5的正极与D8负极相连，D5的负极与D6负极相连；D8的正极与D9的正极相连，D9的负极与D6的正极相连，D6的负极接主放电直流电源的正极，D9的正极接接主放电直流电源的负极。

进一步地，所述脉冲充电系统为反激式充电电路，所述脉冲充电系统包括：开关管g，升压变压器T4，二极管D15；

开关管g的漏极与T4原绕组异名端相连，升压变压器T4原绕组同名端与开关管g的源极之间接入220v电压；T4副绕组异名端与D15的正极相连，D15的负极与预电离脉冲电源的正极相连，T4副绕组同名端与预电离脉冲电源的负极相连。

进一步地，所述着火电压为数千伏特，所述工作电压为数千伏特。

进一步地，所述高压发生器能够产生30kV的高压。

进一步地，所述储能电容的容量为600μF，所述电容的容量为1μF。

进一步地，所述反向隔离二极管为ZP300A5000V型快速高压隔离二极管，所述触发丝为镍铬合金丝。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)用独立的预电离脉冲电源提供着火电压，能够稳定、高效率的点亮大能量固体激光器所需的脉冲氙灯；

(2)所需元件中大部分仅为常见的二极管，造价低、小型化，在高压情况下同样保持高寿命，适于实际工业应用。

(3)本发明可以提高氙灯的辐射效率，达到节约能源的目的。

(4)本发明能够降低色温及放电峰值电流，提高了脉冲氙灯放电的稳定性，同时使输出激光能量稳定。

附图说明

图1：大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统的原理图，该图兼做摘要附图；

图2：直流充电系统电路图；

图3：脉冲充电系统电路图；

图4：高压发生器电路图；

图5：三级放大钕玻璃激光器光路图；

图6：三级放大钕玻璃激光器输出的光斑能量分布图。

图中标记：1-氙灯；2-触发丝；3-高压发生器；4-主放电直流电源；5-预电离脉冲电源；6-反向隔离二极管；7-激光振荡器；8-预备放大器；9-第Ⅰ级放大器；10-第Ⅱ级放大器；11-氙灯①；12-氙灯②；13-氙灯③；14-直流充电系统；15-脉冲充电系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提出了一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，包括：氙灯1、触发丝2、高压发生器3、主放电直流电源4、预电离脉冲电源5、反向隔离二极管6。所述触发丝2缠绕在所述的氙灯1的灯体上；所述的高压发生器3为可以产生瞬间上万伏电压的变压电路，高压发生器3的输出端分别接所述触发丝2的两端；所述的主放电直流电源4为储能电容，并由直流充电系统14给其充电，主放电直流电源4的正极串接所述反向隔离二极管6的正极，主放电直流电源4的负极连接所述氙灯1的负极；所述的反向隔离二极管6的负极连接所述氙灯1的正极；所述的预电离脉冲电源5的正极连接所述氙灯1的正极，所述的预电离脉冲电源5的负极连接所述氙灯1的负极。

所述反向隔离二极管6为上海整流器厂生产的ZP300A5000V型快速高压隔离二极管，触发丝2为镍铬合金丝，主放电直流电源4为储能600μF电容，由直流充电系统14给其充电，预电离脉冲电源5为1μF的电容，由脉冲充电系统15给其充电。

本发明提出的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统的工作原理和过程为：

由所述的高压发生器3提供瞬间上万伏的触发电压，用以电离所述的氙灯1中的氙气，接着由所述的预电离脉冲电源5提供着火电压，所述着火电压为数千伏特，一般常用值为3000-4000V，视具体的氙灯参数而定，维持100-200mA的电流，使氙灯1保持低阻导通状态，所述反向隔离二极管6防止着火电压加载在主放电直流电源4之上；当预电离脉冲电源5放电完毕，反向隔离二极管6两端电势差形成反转，从而导通，进而由主放电直流电源4为氙灯1提供正常所需的工作电压，所述工作电压为数千伏特，视具体的氙灯参数而定，一般常用值为2000-3000V。

如图2所示，为直流充电系统电路图。直流充电系统14为全桥定频电压式充电电路，所述直流充电系统14包括：三极管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D8、D9，电感L1，升压变压器T1；

Q1的集电极与Q3的发射极之间接入经稳压器稳压后的380V电压，Q1的集电极与D1的负极相连，Q1的发射极与D1的正极相连；Q2的集电极与D2的负极相连，Q2的发射极与D2的正极相连；Q3的集电极与D3的负极相连，Q3的发射极与D3的正极相连；Q4的集电极与D4的负极相连，Q4的发射极与D4的正极相连；Q1的集电极与Q2的集电极相连，Q1的发射极与Q3的集电极相连；Q3的发射极与Q4的发射极相连；Q2的发射极与Q4的集电极相连；L1的一端与Q1的发射极相连，L1的另一端与升压变压器T1原绕组同名端相连；T1原绕组异名端与Q2的发射极相连，T1副绕组同名端与D5的正极相连，T1副绕组异名端与D6正极相连；D5的正极与D8负极相连，D5的负极与D6负极相连；D8的正极与D9的正极相连，D9的负极与D6的正极相连，D6的负极接主放电直流电源4的正极，D9的正极接接主放电直流电源4的负极。

如图3所示，为脉冲充电系统电路图。脉冲充电系统15为反激式充电电路，所述脉冲充电系统15包括：开关管g，升压变压器T4，二极管D15；

开关管g的漏极与T4原绕组异名端相连，升压变压器T4原绕组同名端与开关管g的源极之间接入220v电压；T4副绕组异名端与D15的正极相连，D15的负极与预电离脉冲电源5的正极相连，T4副绕组同名端与预电离脉冲电源5的负极相连。

如图4所示，为高压发生器电路图，高压发生器3为一可以产生瞬间上万伏高压的电路，本发明中高压发生器3能够产生30kV的高压。所述高压发生器3包括：升压变压器T2、T3，二极管D10、D11、D12、D13、D14，双向稳压二极管U，电容C1、C2、C3、C4，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电感L2，晶闸管S；

T2原绕组两端之间接入220V电压，T2副绕组同名端接二极管D14的负极，T2副绕组异名端接D10的正极；D10的负极与D11的负极相连，D10正极与D13的负极相连；D13的正极与D14的正极相连；D14的负极与D11的正极相连；D11的负极与D12的正极相连，L2的一端接D12的负极，L2的另一端接触发丝2的一端；R1与C1并联后的一端接D14的正极，R1与C1并联后的另一端接触发丝2的另一端；R2的一端接D10的负极，R2另一端接电容C3的正极；C3的负极接T3原绕组异名端；R3一端接电容C3的正极，R3另一端接C2正极，C2的负极接T3副绕组异名端；R5并联在C2两端，R4一端接R3另一端，R4另一端接双向稳压二极管U的一端，双向稳压二极管U的另一端接R6的一端；R6的另一端接C2的负极；晶闸管S的门级接R6的一端，晶闸管S的阳极接电容C3的正极，晶闸管S的阴极接T3副绕组异名端；T3副绕组同名端接C4正极，C4负极接L2的另一端；T3原绕组同名端接地。

本发明的实施例：

如图5所示，为三级放大钕玻璃激光器的光路图，包括激光振荡器7、预备放大器8、第Ⅰ级放大器9、第Ⅱ级放大器10；由于激光技术要求，每级的氙灯尺寸需逐级递增，因此该激光器利用三支不同尺寸的大功率氙灯作为泵浦源，三支大功率氙灯分别为：氙灯①11、氙灯②12和氙灯③13。其中氙灯①11的内径为20mm，外径为22mm，两极间距为350mm；氙灯②12的内径为26mm，外径为28mm，两极间距为350mm；氙灯③13的内径为30mm，外径为32mm，两极间距为350mm。氙灯①11、氙灯②12和氙灯③13均采用图1、图2、图3和图4所示的电路工作原理。

氙灯①11工作时，直流充电系统14为主放电直流电源4充2000V工作电压；脉冲充电系统15为预电离脉冲电源5充3000V着火电压；由高压发生器3为氙灯①11提供瞬间30kV的触发电压，用以电离氙灯①11中的氙气，接着由预电离脉冲电源5提供3000V着火电压，维持灯管内100-200mA的电流，使氙灯①11的灯管保持低阻导通状态，反向隔离二极管6防止着火电压加载在主放电直流电源4之上；当预电离脉冲电源5放电至电压低于2000V时，反向隔离二极管6两端电势差形成反转，从而导通，最后由所述的主放电直流电源4提供正常工作所需的2000V电压。

氙灯②12工作时，直流充电系统14为主放电直流电源4充2300V工作电压；脉冲充电系统15为预电离脉冲电源5充3500V着火电压；由高压发生器3为氙灯②12提供瞬间30kV的触发电压，用以电离氙灯②12中的氙气，接着由预电离脉冲电源5提供3500V着火电压，维持灯管内100-200mA的电流，使氙灯②12的灯管保持低阻导通状态，反向隔离二极管6防止着火电压加载在主放电直流电源4之上；当预电离脉冲电源5放电至电压低于2300V时，反向隔离二极管6两端电势差形成反转，从而导通，最后由所述的主放电直流电源4提供正常工作所需的2300V电压。

氙灯③13工作时，直流充电系统14为主放电直流电源4充2500V工作电压；脉冲充电系统15为预电离脉冲电源5充4000V着火电压；由高压发生器3为氙灯③13提供瞬间30kV的触发电压，用以电离氙灯③13中的氙气，接着由预电离脉冲电源5提供4000V着火电压，维持灯管内100-200mA的电流，使氙灯③13的灯管保持低阻导通状态，反向隔离二极管6防止着火电压加载在主放电直流电源4之上；当预电离脉冲电源5放电至电压低于2500V时，反向隔离二极管6两端电势差形成反转，从而导通，最后由所述的主放电直流电源4提供正常工作所需的2500V电压。

如图6所示，为图5所示的三级放大钕玻璃激光器的输出光斑能量分布图，可以看出输出激光为标准的高斯光斑，说明采用本发明提出的大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统的激光器能够产生高质量光斑，具有较好的实用性。

以上所述仅用于描述本发明的技术方案和具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明的实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，包括氙灯(1)、触发丝(2)、高压发生器(3)、主放电直流电源(4)、预电离脉冲电源(5)和反向隔离二极管(6)；

所述触发丝(2)缠绕在所述氙灯(1)的灯体上，所述高压发生器(3)连接所述触发丝(2)的两端，所述主放电直流电源(4)为储能电容，所述储能电容的一端连接所述反向隔离二极管(6)的正极、所述储能电容的另一端连接所述氙灯(1)的负极端，所述反向隔离二极管(6)的负极端连接所述氙灯(1)的正极端，所述预电离脉冲电源(5)为电容，所述电容的两端分别连接所述氙灯(1)的正极端和负极端；

所述高压发生器(3)给所述触发丝(2)提供瞬间上万伏特电离电压，使所述氙灯(1)内氙气电离；所述预电离脉冲电源(5)由脉冲充电系统(15)充电，所述预电离脉冲电源(5)给所述氙灯(1)两端加载着火电压；所述反向隔离二极管(6)防止所述着火电压作用在所述主放电直流电源(4)两端；所述氙灯(1)内氙气为低阻导通；所述主放电直流电源(4)由直流充电系统(14)充电，所述主放电直流电源(4)为所述氙灯(1)提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述高压发生器(3)包括：升压变压器T2、T3，二极管D10、D11、D12、D13、D14，双向稳压二极管U，电容C1、C2、C3、C4，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电感L2，晶闸管S；

T2原绕组两端之间接入220V电压，T2副绕组同名端接二极管D14的负极，T2副绕组异名端接D10的正极；D10的负极与D11的负极相连，D10正极与D13的负极相连；D13的正极与D14的正极相连；D14的负极与D11的正极相连；D11的负极与D12的正极相连，L2的一端接D12的负极，L2的另一端接触发丝2的一端；R1与C1并联后的一端接D14的正极，R1与C1并联后的另一端接触发丝2的另一端；R2的一端接D10的负极，R2另一端接电容C3的正极；C3的负极接T3原绕组异名端；R3一端接电容C3的正极，R3另一端接C2正极，C2的负极接T3副绕组异名端；R5并联在C2两端，R4一端接R3另一端，R4另一端接双向稳压二极管U的一端，双向稳压二极管U的另一端接R6的一端；R6的另一端接C2的负极；晶闸管S的门级接R6的一端，晶闸管S的阳极接电容C3的正极，晶闸管S的阴极接T3副绕组异名端；T3副绕组同名端接C4正极，C4负极接L2的另一端；T3原绕组同名端接地。

3.根据权利要求1所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述直流充电系统(14)采用全桥定频电压式充电电路，所述直流充电系统(14)包括：三极管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D8、D9，电感L1，升压变压器T1；

Q1的集电极与Q3的发射极之间接入经稳压器稳压后的380V电压，Q1的集电极与D1的负极相连，Q1的发射极与D1的正极相连；Q2的集电极与D2的负极相连，Q2的发射极与D2的正极相连；Q3的集电极与D3的负极相连，Q3的发射极与D3的正极相连；Q4的集电极与D4的负极相连，Q4的发射极与D4的正极相连；Q1的集电极与Q2的集电极相连，Q1的发射极与Q3的集电极相连；Q3的发射极与Q4的发射极相连；Q2的发射极与Q4的集电极相连；L1的一端与Q1的发射极相连，L1的另一端与升压变压器T1原绕组同名端相连；T1原绕组异名端与Q2的发射极相连，T1副绕组同名端与D5的正极相连，T1副绕组异名端与D6正极相连；D5的正极与D8负极相连，D5的负极与D6负极相连；D8的正极与D9的正极相连，D9的负极与D6的正极相连，D6的负极接主放电直流电源4的正极，D9的正极接接主放电直流电源4的负极。

4.根据权利要求1所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述脉冲充电系统(15)为反激式充电电路，所述脉冲充电系统(15)包括：开关管g，升压变压器T4，二极管D15；

开关管g的漏极与T4原绕组异名端相连，升压变压器T4原绕组同名端与开关管g的源极之间接入220v电压；T4副绕组异名端与D15的正极相连，D15的负极与预电离脉冲电源5的正极相连，T4副绕组同名端与预电离脉冲电源5的负极相连。

5.根据权利要求1所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述着火电压为数千伏特，所述工作电压为数千伏特。

6.根据权利要求1或2所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述高压发生器(3)能够产生30kV高压。

7.根据权利要求1所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述储能电容的容量为600μF，所述电容的容量为1μF。

8.根据权利要求1所述的一种大功率氙灯脉冲预电离供电电源系统，其特征在于，所述反向隔离二极管(6)为ZP300A5000V型快速高压隔离二极管，所述触发丝(2)为镍铬合金丝。