CN110518447A - 一种脉冲固体激光器电源 - Google Patents

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吴鸿春
史斐
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林文雄
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Abstract

本发明公开了一种脉冲固体激光器电源，包括驱动电路、采样电路、MCU模块和控制电路。驱动电路对输入的电流进行变换；采样电路输出所述驱动电路变换后的电流，并对所述驱动电路变换后的电流进行采样；MCU模块基于变换后的电流输出SPWM波形，控制所述控制电路的导通或截止；控制电路基于接收到的SPWM波形信号控制所述驱动电路的导通或截止，最终达到稳定输出所需大小电流的目的。本发明提供的激光器电源，结构简单，采用SPWM技术，谐波小，电源使用时间长，且对电能的利用率高，电源效率高。

Description

一种脉冲固体激光器电源
技术领域
本发明涉及激光器电源技术领域，尤其是涉及一种脉冲固体激光器电源。
背景技术
固体激光器是用固体激光材料作为工作物质的激光器，工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子。固体激光器具有体积小、使用方便、输出功率大的特点。固体激光器一般连续功率在100瓦以上，脉冲峰值功率可高达109W。
激光电源，作为产生激光能量的电泵浦源，是激光器设备中最重要的技术装备之一，是决定激光器整体性能的重要因素。激光器电源主要通过开关元件对直流电压进行斩波而输出所需要的电流。
常用的脉冲宽度调制(Pulse width modulation，以下简称PWM)驱动的激光器电源，谐波大，开关元件受到的冲击大，影响使用寿命，当激光器电源发生故障时，需要拆卸激光器进行返修维护，维修成本较高。而且PWM驱动的激光器电源，电能没有得到充分的利用，电能效率低。
发明内容
本发明的目的是提供了一种脉冲固体激光器电源，该激光器电源谐波小、使用寿命长，且电能效率高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种脉冲固体激光器电源，包括：驱动电路、采样电路、MCU模块和控制电路；
所述驱动电路输出端与所述采样电路电连接，用于对输入的电流进行变换；
所述采样电路的输出端与所述MCU模块输入端电连接，用于输出所述驱动电路变换后的电流，并对所述驱动电路变换后的电流进行采样；
所述MCU模块输出端与所述控制电路输入端电连接，用于基于变换后的电流输出SPWM波形，控制所述控制电路的导通或截止；
所述控制电路输出端与所述驱动电路电连接，用于基于接收到的SPWM波形信号控制所述驱动电路的导通或截止。
作为本发明再进一步的方案：还包括主变压器和辅助变压器；
所述主变压器和所述辅助变压器电连接；
所述驱动电路的输出端分别与所述主变压器、所述辅助变压器电连接，用于对主变压器的电流进行变换；
所述采样电路的输入端连接所述主变压器，用于输出主变压器变换后的电流，并对变换后的电流进行采样；
所述控制电路的输出端与所述辅助变压器电连接，用于基于接收到的SPWM波形信号控制所述辅助变压器的导通或截至。
作为本发明再进一步的方案：所述驱动电路导通和截至频率在10KHz到150KHz之间。
作为本发明再进一步的方案：所述MCU模块输出两路波形互斥的SPWM波形。
作为本发明再进一步的方案：所述MCU模块还包括误差比例放大电路，用于放大接收到的电流信号。
作为本发明再进一步的方案：所述驱动电路与辅助变压器之间设置有开关，所述开关控制所述脉冲固体激光电源的开启和关闭。
作为本发明再进一步的方案：所述控制电路包括至少两个晶体管，所述两路SPWM波形分别控制两个晶体管依次轮流导通。
作为本发明再进一步的方案：所述驱动电路包括两个晶体管，所述两路SPWM波形通过控制电路控制两个晶体管依次轮流导通。
作为本发明再进一步的方案：所述控制电路中晶体管的导通时间由两路SPWM波形的频率和占空比确定。
作为本发明再进一步的方案：所述驱动电路中晶体管的导通时间由两路SPWM波形通过所述控制电路确定。
本发明的有益效果包括但不限于：
(1)本发明提供的脉冲固体激光器电源，包括驱动电路、采样电路、MCU模块和控制电路。驱动电路对输入的电流进行变换；采样电路输出所述驱动电路变换后的电流，并对所述驱动电路变换后的电流进行采样；MCU模块基于变换后的电流输出SPWM波形，控制所述控制电路的导通或截止；控制电路基于接收到的SPWM波形信号控制所述驱动电路的导通或截止，最终达到稳定输出所需大小电流的目的。本发明提供的激光器电源，结构简单，采用SPWM技术，谐波小，电源使用时间长，且对电能的利用率高，电源效率高。
(2)进一步地，本发明还包括主变压器和辅助变压器，主变压器和辅助变压器电连接；驱动电路的输出端与主变压器、辅助变压器电连接，实现对主变压器的电流的变换；采样电路的输入端连接主变压器，输出主变压器变换后的电流，并对变换后的电流进行采样；控制电路的输出端与辅助变压器电连接，基于接收到的SPWM波形信号控制辅助变压器的导通或截至。另外，MCU模块输出两路波形互斥的SPWM波形。采样电路采集电路中电流的信号，MCU模块根据接收到的电流信号输出两路SPWM波形，控制控制电路中晶体管的轮换导通，进而控制驱动电路中晶体管的轮换导通，实现了直流电向交流电的转换。另一方面，两路SPWM波形控制控制电路中晶体管的导通时间，进而控制驱动电路中晶体管的导通时间，实现了快速的恒流控制。
(3)相对于传统的脉冲宽度调制驱动的激光器电源，本发明提供的脉冲固体激光器电源，通过变换辅助变压器的导通及导通时间，调节电流的大小和方向，电流谐波小，开关元件收到的冲击小，使用寿命长，且通过控制驱动电路导通和截至的频率，热量损耗少，电能使用效率高。
附图说明
图1是本发明提供的脉冲固体激光器电源的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的驱动电路、辅助变压器和主变压器的电路图；
图3是本发明实施例提供的采样电路的电路图；
图4是本发明实施例提供的控制电路的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
图1是本申请提供的一种脉冲固体激光器电源流程示意图，如图1所示，包括：驱动电路、采样电路、MCU模块(微控制单元，Microcontroller Unit)和控制电路；
驱动电路输出端与采样电路电连接，用于对输入的电流进行变换；
采样电路的输出端与MCU模块输入端电连接，用于输出驱动电路变换后的电流，并对驱动电路变换后的电流进行采样；
MCU模块输出端与控制电路输入端电连接，用于基于变换后的电流输出SPWM波形(正弦脉宽调制，Sinusoidal Pulse Width Modulation)，控制控制电路的导通或截止；
控制电路输出端与驱动电路电连接，用于基于接收到的SPWM波形信号控制驱动电路的导通或截止。
进一步地，本发明还包括主变压器和辅助变压器；
其中，主变压器和辅助变压器电连接；
驱动电路的输出端分别与主变压器和辅助变压器电连接，用于对主变压器的电流进行变换；
采样电路的输入端连接主变压器，用于输出主变压器变换后的电流，并对变换后的电流进行采样；
控制电路的输出端与辅助变压器电连接，用于基于接收到的SPWM波形信号控制辅助变压器的导通或截至。
进一步地，为了减少热量的损耗并改善激光器电源的电磁兼容性，本发明设置驱动电路导通和截至频率在10KHz到150KHz之间。
进一步地，MCU模块由内部程序编程输出两路波形互斥的SPWM波形，且死区时间、SPWM波形的频率和占空比可调。MCU的工作频率大于20MHz，可以迅速的将采样到的电流信号转换为SPWM波形信号，实现快速的恒压与恒流功能。
另外，MCU模块还包含误差比例放大电路，用于放大接收到的电流信号。
本发明中，控制电路包括至少两个晶体管，两路SPWM波形分别控制两个晶体管依次轮流导通；驱动电路包括两个晶体管，两路SPWM波形通过控制电路中的晶体管的导通和截至控制驱动电路中的两个晶体管依次轮流导通，SPWM波形的变换，改变主变压器中电流的传输方向，使输入的直流电变换为交流电。
另外，控制电路中晶体管的导通时间由两路SPWM波形的频率和占空比控制；驱动电路中晶体管的导通时间由两路SPWM波形通过控制电路控制，SPWM波形占空比的变换，改变传输至主变压器的电流大小，进而改变采样电路中输出电路的大小，实现稳定的恒压恒流输出。
另外，驱动电路与辅助变压器之间设置有开关，开关控制脉冲固体激光电源的开启和关闭。
具体地，开关可以是机械式开关或晶体管中的任一种。
本发明提供的脉冲固体激光器电源中驱动电路对输入的电流进行变换；采样电路输出所述驱动电路变换后的电流，并对所述驱动电路变换后的电流进行采样；MCU模块基于变换后的电流输出SPWM波形，控制所述控制电路的导通或截止；控制电路基于接收到的SPWM波形信号控制所述驱动电路的导通或截止，最终达到稳定输出所需大小电流的目的；进一步地，本发明还包括主变压器和辅助变压器，主变压器和辅助变压器电连接；驱动电路的输出端与主变压器、辅助变压器电连接，实现对主变压器的电流的变换；采样电路的输入端连接主变压器，输出主变压器变换后的电流，并对变换后的电流进行采样；控制电路的输出端与辅助变压器电连接，基于接收到的SPWM波形信号控制辅助变压器的导通或截至。另外，MCU模块输出两路波形互斥的SPWM波形。采样电路采集电路中电流的信号，MCU模块根据接收到的电流信号输出两路SPWM波形，控制控制电路中晶体管的轮换导通，进而控制驱动电路中晶体管的轮换导通，实现了直流电向交流电的转换。另一方面，两路SPWM波形控制控制电路中晶体管的导通时间，进而控制驱动电路中晶体管的导通时间，实现了快速的恒流控制。本发明提供的脉冲固体激光器电源，结构简单，采用SPWM技术，通过调整SPWM波形的频率和占空比，调节电流的大小和方向，本发明输出的电流谐波小，电源使用时间长，且通过控制驱动电路中晶体管的频率，热量损耗少，电能的利用率高，电源效率提高。
以下是本发明提供的一个具体的实施例。
一种脉冲固体激光器电源流程示意图，包括：驱动电路、采样电路、MCU模块和控制电路。
图2是本实施例提供的驱动电路、辅助变压器和主变压器连接为一体的电路图，如图2所示，驱动电路包括电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2、二极管D3、二极管D4、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2。第一晶体管Q1的集电极接整流后的直流电输入电压，第一晶体管Q1的基极接电阻后接辅助变压器的ST10引脚，第一晶体管Q1发射极接辅助变压器的ST6引脚以及第二晶体管Q2的集电极；第二晶体管Q2的基极接电阻后接辅助变压器的ST9引脚，第二晶体管Q2的发射极接地GND。辅助变压器的ST7引脚接地，辅助变压器的ST8引脚和主变压器连接，辅助变压器的ST6引脚接半桥电路的中点，用来防止主变压器的电流过大。
本实施例中，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的开关频率限制在10KHz到150KHz之间。
图3是本实施例提供的采样电路的电路图，如图3所示，包括整流二极管、滤波电感L1、滤波电容和电流采样传感器SENSER。整流二极管的输出接滤波电感L1、滤波电容后接到负载激光器的正端；主变压器的输出端接电流采样传感器SENSER后接到负载激光器的负端。
滤波电容为电解电容，用于减少输出电压的纹波，包括C18、C19。滤波电容的正极均接直流电路输出的正极，滤波电容的负极均接于直流电流输出的负极。且主变压器的输出经过滤波电容后输出。
MCU模块由内部程序编程输出两路波形互斥的SPWM，且死区时间可调，SPWM波形根据采样电路的反馈，时时的变化占空比和频率。
MCU模块包含误差比例放大电路，用于放大接收到的电压和电流信号。MCU的工作频率大于20MHz，可以迅速的将采样到的电压和电流信号转换为SPWM信号。
图4是本实施例提供的控制电路的电路图，如图4所示，包括晶体管Q4、晶体管Q6。晶体管Q4和Q6的基极接MCU模块的SPWM输出，晶体管Q4和Q6的发射极接地，晶体管Q4和Q6的集电极分别接辅助变压器的ST1和ST3引脚。两路SPWM分别控制晶体管Q4和Q6依次轮流导通，且导通的频率和占空比由SPWM决定。
由于两路SPWM的波形互斥，则辅助变压器的ST10引脚与ST9引脚的电压是相反的，当晶体管Q4导通时，则ST10引脚为高电平，ST9引脚为低电平，ST10引脚输出高电平，经过D1、R5、C10、R7，作用到第一晶体管Q1的基极，使第一晶体管Q1导通。此时，由于ST9输出是低电平，则第二晶体管Q2处于截止状态。输入的电流经过第一晶体管Q1流入主变压器。与之对应，当晶体管Q6导通时，则ST10引脚为低电平，ST9引脚为高电平，输入电流经过第二晶体管Q2流入主变压器。通过第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的轮换导通，实现了直流电向交流电的转换。
另一方面，当负载变大时，由采样电路输出的电流减小，即流经电流采样传感器SENSER的电流变小，则输出给MCU的信号变小。MCU根据电流信号的误差值，提高SPWM的占空比，增加晶体管Q4和晶体管Q6的导通时间，则增加了辅助变压器ST10和ST9引脚高电平的时间，继而增加第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的导通时间，则流过主变压器的电流增大，输出电流也随之增大。
当负载变小时，由采样电路输出的电流增大，即流经电流采样传感器SENSER的电流变大，则输出给MCU的信号变大。MCU根据电流信号的误差值，降低SPWM的占空比，减少晶体管Q4和晶体管Q6的导通时间，对应地减少了辅助变压器ST10和ST9引脚高电平的时间，减少第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的导通时间，则流过主变压器的电流变少，输出电流也随之变小。通过调节第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的导通时间，实现了快速的恒流控制。
本发明提供的脉冲固体激光器电源中驱动电路对主变压器的电流的变换；采样电路输出主变压器变换后的电流，并对变换后的电流进行采样；MCU模块基于变换后的电流输出SPWM波形，控制所述控制电路的导通或截止；控制电路基于接收到的SPWM波形信号控制辅助变压器的导通或截至，最终达到稳定输出所需大小电流的目的。另外，MCU模块输出两路波形互斥的SPWM波形。采样电路采集电路中电流的信号，MCU模块根据接收到的电流信号输出两路SPWM波形，控制控制电路中晶体管的轮换导通，进而控制驱动电路中晶体管的轮换导通，实现了直流电向交流电的转换。另一方面，两路SPWM波形控制控制电路中晶体管的导通时间，进而控制驱动电路中晶体管的导通时间，实现了快速的恒流控制。本发明提供的脉冲固体激光器电源，结构简单，采用SPWM技术，通过调整SPWM波形的频率和占空比，调节电流的大小和方向，本发明输出的电流谐波小，电源使用时间长，且通过控制驱动电路中晶体管的频率，热量损耗少，电能的利用率高，电源效率提高。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种脉冲固体激光器电源，其特征在于，包括：驱动电路、采样电路、MCU模块和控制电路；
所述驱动电路输出端与所述采样电路电连接，用于对输入的电流进行变换；
所述采样电路的输出端与所述MCU模块输入端电连接，用于输出所述驱动电路变换后的电流，并对所述驱动电路变换后的电流进行采样；
所述MCU模块输出端与所述控制电路输入端电连接，用于基于变换后的电流输出SPWM波形，控制所述控制电路的导通或截止；
所述控制电路输出端与所述驱动电路电连接，用于基于接收到的SPWM波形信号控制所述驱动电路的导通或截止。
2.根据权利要求1所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，还包括主变压器和辅助变压器；
所述主变压器和所述辅助变压器电连接；
所述驱动电路的输出端分别与所述主变压器和所述辅助变压器电连接，用于对主变压器的电流进行变换；
所述采样电路的输入端连接所述主变压器，用于输出主变压器变换后的电流，并对变换后的电流进行采样；
所述控制电路的输出端与所述辅助变压器电连接，用于基于接收到的SPWM波形信号控制所述辅助变压器的导通或截至。
3.根据权利要求1所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述驱动电路导通和截至频率在10KHz到150KHz之间。
4.根据权利要求1所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述MCU模块输出两路波形互斥的SPWM波形。
5.根据权利要求1所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述MCU模块还包括误差比例放大电路，用于放大接收到的电流信号。
6.根据权利要求2所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述驱动电路与辅助变压器之间设置有开关，所述开关控制所述脉冲固体激光电源的开启和关闭。
7.根据权利要求4所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述控制电路包括至少两个晶体管，所述两路SPWM波形分别控制两个晶体管依次轮流导通。
8.根据权利要求4所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述驱动电路包括两个晶体管，所述两路SPWM波形通过控制电路控制两个晶体管依次轮流导通。
9.根据权利要求7所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述控制电路中晶体管的导通时间由两路SPWM波形的频率和占空比确定。
10.根据权利要求8所述的脉冲固体激光器电源，其特征在于，所述驱动电路中晶体管的导通时间由两路SPWM波形通过所述控制电路确定。
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