CN117424440A - 一种脉冲激光电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源电路技术领域，其目的在于提供一种脉冲激光电源系统。本发明可保证流过第一主放电开关和第二主放电开关该两个主放电开关的电流相同，避免因其中一路电流过大而损坏该回路的主放电开关，同时通过耦合均流电感可加快主放电开关的导通时间，提高两个主放电开关的导通时间一致性，从而提高了脉冲激光电源输出能量一致性。此外，本发明中的主充电单元采用双回路输出设计，减少了主充电单元工作过程中单回路器件所承受的电压应力，利于提高各器件的工作寿命，从而提高主充电单元的可靠性，且在主充电单元一个回路发生故障时，使用另一个正常回路降额给主储能单元充电，从而使脉冲激光电源可以在故障情况下降额运行，更具备经济性。

Description

一种脉冲激光电源系统

技术领域

本发明属于电源电路技术领域，具体涉及一种脉冲激光电源系统。

背景技术

随着大型激光装置在科学领域和工业领域不断的发展和应用，对激光装置的工作性能和能量输出都提出了更高的要求。大型激光装置一般采用高功率脉冲氙灯作为激光器的泵浦源，脉冲氙灯具有负载能力强、泵浦效率高、激光光束质量好、寿命长等特点。

用于大型激光装置的脉冲氙灯具有内部气压高、尺寸大、长度高、触发电压高等特性。脉冲氙灯需要通过高电压触发导通后再通过脉冲大电流放电才能产生强光，因此脉冲氙灯的发光过程中需要一个能够提供高压大功率输出的脉冲激光电源。脉冲激光电源一般采用在较长的一段时间为储能单元充电储能，并在极短的时间内对储能单元放电，脉冲氙灯通过瞬间放电，产生瞬时、极强的光输出。

在脉冲激光电源中，采用开关对储能单元的能量进行放电输出，因此开关的可靠性是影响脉冲激光电源的可靠性的重要因素之一。目前常使用的开关器件有气体开关、引燃管、真空触发开关、大功率固体半导体开关等。而大功率固体半导体开关由于其寿命长、重复频率高、导通关断速度快、体积小、可靠性高、维护方便、触发电路简单、经济性好等优点。因此，越来越多的脉冲激光电源使用大功率固体半导体开关作为开关器件。

大功率固体半导体开关一般采用大功率可控硅晶闸管器件，然而目前单片的半导体可控硅晶闸管阀片通流能力、耐受电压有限，无法承受高电压、大电流的工作条件。因此，半导体可控硅晶闸管应用在大功率脉冲激光电源时，通常需要将多个晶闸管单体阀片串、并联使用。

在将半导体可控硅晶闸管串联使用时，可根据脉冲激光电源的工作电压及电路参数特性选择合适数量的可控硅晶闸管串联。

但是，在使用现有技术过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

在工作过程中，受可控硅晶闸管器件特性的影响，每一个可控硅晶闸管两端所获得的分压有一定的区别，存在某一个可控硅晶闸管两端电压过高而损坏的风险。

目前的可控硅晶闸管最大尺寸为6英寸，最大通流峰值为330kA，当脉冲激光电源输出电流峰值超过330kA时，必须采用两组半导体可控硅晶闸管开关组件并联使用。但这样存在重大的技术风险，具体地，如果只有一路固体半导体可控硅晶闸管开关组件导通，或者两路固体半导体可控硅晶闸管开关组件存在明显导通延时，那么脉冲激光电源的输出就达不到输出要求，且可能带来固体半导体可控硅晶闸管开关阀片损坏的风险。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，本发明提供了一种脉冲激光电源系统，旨在解决现有技术中半导体可控硅晶闸管开关导通过程中因过压和过流引起的可控硅晶闸管阀片损坏的风险的问题，以提高半导体可控硅晶闸管在脉冲激光电源应用中的可靠性，从而提高脉冲激光电源的可靠性和经济性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种脉冲激光电源系统，包括控制单元、主充电单元、主储能单元组、主放电开关、耦合均流电感和调波电感，所述主放电开关分为第一主放电开关和第二主放电开关，所述主储能单元组分为第一主储能单元组和第二主储能单元组；所述控制单元通过光纤与所述主充电单元的通讯接口连接；所述主充电单元的两路高压输出端分别与所述第一主储能单元组的高压端和所述第二主储能单元组的高压端连接，所述主充电单元的低压端单点接地，所述第一主储能单元组的高压端还与所述第一主放电开关的阳极连接，所述第二主储能单元组的高压端还与所述第二主放电开关的阳极连接，所述第一主储能单元组的低压端和所述第二主储能单元组的低压端均接地；所述第一主放电开关的阴极和所述第二主放电开关的阴极均通过所述耦合均流电感与所述调波电感的一端连接，所述调波电感的另一端作为所述脉冲激光电源系统的输出端；所述控制单元还通过光纤与所述第一主放电开关和第二主放电开关的触发输入接口连接。

本发明通过耦合均流电感的均流作用，对流过第一主放电开关和第二主放电开关的两路电流进行限制，保证流过两个主放电开关的电流相同，避免因其中一路电流过大而损坏该回路的主放电开关，同时通过耦合均流电感的作用，加快主放电开关的导通时间，提高两个主放电开关的导通时间一致性，从而提高了脉冲激光电源输出能量一致性。此外，本发明中的主充电单元采用双回路输出设计，减少了主充电单元工作过程中单回路器件所承受的电压应力，利于提高各器件的工作寿命，从而提高了主充电单元的可靠性，且在主充电单元一个回路发生故障时，使用另一个正常回路降额给主储能单元充电，从而使脉冲激光电源可以在故障情况下降额运行，更具备经济性。

在一个可能的设计中，所述第一主储能单元组和所述第二主储能单元组中均包括多个主储能单元；所述主储能单元包括主电容器和保护电感，所述主电容器的负极作为所述主储能单元的低压端接地，所述主电容器的正极与所述保护电感的输入端连接，所述保护电感的输出端作为所述主储能单元的高压端。

在一个可能的设计中，所述脉冲激光电源系统还包括主泄能单元；所述主泄能单元的两组输入端分别与所述第一主储能单元组的高压端和所述第二主储能单元组的高压端连接，所述主泄能单元的输出端接地；所述控制单元通过光纤与所述主泄能单元连接。

在一个可能的设计中，所述主泄能单元包括串联连接的主泄能电阻堆和主泄能继电器，所述主泄能电阻堆的一端作为所述主泄能单元的输入端，所述主泄能电阻堆的另一端与所述主泄能继电器中开关的一端电连接，所述主泄能继电器中开关的另一端作为所述主泄能单元的输出端接地。

在一个可能的设计中，所述脉冲激光电源系统还包括预充电单元、预储能单元和预放电开关；所述控制单元通过光纤与所述预充电单元的通讯接口连接；所述预充电单元的高压输出端与所述预储能单元的高压端连接，所述预充电单元的低压端单点接地；所述预储能单元的高压端与所述预放电开关的阳极连接，所述预储能单元的低压端接地，所述预放电开关的阴极与所述调波电感连接；所述控制单元还通过光纤与所述预放电开关的触发输入接口连接。

在一个可能的设计中，所述第一主放电开关、所述第二主放电开关和所述预放电开关均采用半导体可控硅晶闸管放电开关。

在一个可能的设计中，所述预储能单元包括预电容器和预电离电感，所述预电容器的负极作为所述预储能单元的低压端接地，所述预电容器的正极与所述预电离电感的输入端连接，所述预电离电感的输出端作为所述预储能单元的高压端。

在一个可能的设计中，所述脉冲激光电源系统还包括预泄能单元；所述预泄能单元的输入端与所述预储能单元的高压端连接，所述预泄能单元的输出端接地；所述控制单元通过光纤与所述预泄能单元连接。

在一个可能的设计中，所述脉冲激光电源系统还包括诊断单元和CT线圈；所述控制单元通过光纤与所述诊断单元的通讯接口连接，所述CT线圈套设在所述调波电感的另一端连接的放电线缆上，以将感应到的放电电流信号传输至所述诊断单元。

在一个可能的设计中，所述第一主储能单元组和第二主储能单元组中的主储能单元的数量相同，均为6个；所述调波电感设置有20个，20个调波电感的输入端均与所述耦合均流电感连接，20个调波电感的输出端作为所述脉冲激光电源系统的20路输出端与同轴放电线缆连接。

附图说明

图1是实施例中脉冲激光电源系统的模块框图；

图2是实施例中脉冲激光电源系统的电路原理图；

图3是实施例中脉冲激光电源系统中主放电电流近临界阻尼波形示意图；

图4是实施例中主泄能单元的电路原理图；

图5是实施例中预泄能单元的电路原理图；

图6是实施例中脉冲激光电源系统中CT线圈与放电线缆的位置关系示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例：

本实施例公开了一种脉冲激光电源系统，如图1和图2所示，包括控制单元、主充电单元、主储能单元组、主放电开关、耦合均流电感和调波电感，所述主放电开关分为第一主放电开关和第二主放电开关，所述主储能单元组分为第一主储能单元组和第二主储能单元组；所述控制单元通过光纤与所述主充电单元的通讯接口连接，用于向所述主充电单元提供光纤串口通讯信号；所述主充电单元的两路高压输出端分别与所述第一主储能单元组的高压端和所述第二主储能单元组的高压端连接，所述主充电单元的低压端单点接地，所述第一主储能单元组的高压端还与所述第一主放电开关的阳极连接，所述第二主储能单元组的高压端还与所述第二主放电开关的阳极连接，所述第一主储能单元组的低压端和所述第二主储能单元组的低压端均接地；所述第一主放电开关的阴极和所述第二主放电开关的阴极均通过所述耦合均流电感与所述调波电感的一端连接，所述调波电感的另一端作为所述脉冲激光电源系统的输出端与氙灯负载连接；所述控制单元还通过光纤与所述第一主放电开关和第二主放电开关的触发输入接口连接，用于向所述第一主放电开关和第二主放电开关发送光纤同步触发信号。

本实施例中，第一主储能单元组和第二主储能单元组中的主储能单元的数量相同，均为n/2个，n为大于2的偶数。本实施例中，n的典型值为12。

本实施例中，所述耦合均流电感由两组绕向相反的电感线圈组合而成，两组电感线圈的输出端均通过汇流母排与调波电感连接。具体地，本实施例中，所述调波电感设置有m个，m为大于1的整数，m个调波电感的输入端均与汇流母排连接，m个调波电感的输出端作为所述脉冲激光电源系统的m路输出端与同轴放电线缆连接。本实施例中，m的典型值为20。

本实施例中，所述调波电感用于调节输出放电电流波形的峰值和脉宽，通过调节调波电感的参数可使脉冲激光电源的输出参数满足不同的需求，并可使氙灯负载工作在近临界阻尼状态下，近临界阻尼放电电流波形示意图如图3所示。同时，m路调波电感的参数要保持一致，确保脉冲激光电源的m回路输出参数一致。

本实施例通过耦合均流电感的均流作用，对流过第一主放电开关和第二主放电开关的两路电流进行限制，保证流过两个主放电开关的电流相同，避免因其中一路电流过大而损坏该回路的主放电开关，同时通过耦合均流电感的作用，加快主放电开关的导通时间，提高两个主放电开关的导通时间一致性，从而提高了脉冲激光电源输出能量一致性。同时，本实施例中的主充电单元采用双回路输出设计，减少了主充电单元工作过程中单回路器件所承受的电压应力，利于提高各器件的工作寿命，从而提高了主充电单元的可靠性，且在主充电单元一个回路发生故障时，使用另一个正常回路降额给主储能单元充电，从而使脉冲激光电源可以在故障情况下降额运行，更具备经济性。

本实施例中，所述第一主储能单元组和所述第二主储能单元组中均包括多个主储能单元；所述主储能单元包括主电容器和保护电感，所述主电容器的负极作为所述主储能单元的低压端接地，所述主电容器的正极与所述保护电感的输入端连接，所述保护电感的输出端作为所述主储能单元的高压端与所述主充电单元以及对应的主放电开关连接。需要说明的是，本实施例中，主电容器用于存储能量，保护电感用于在主电容器因内部短路故障击穿后，吸收其余正常的电容对该主电容器的倒灌能量，避免因倒灌能量过大而使故障电容器产生爆炸。还需要说明的是，本实施例中，第一主储能单元组中的多个保护电感(保护电感1、……保护电感n/2)的输出端共同构成第一主储能单元组的高压端，第二主储能单元组中的多个保护电感(保护电感n/2+1、……保护电感n)的输出端共同构成第二主储能单元组的高压端。

本实施例中，保护电感由电感和电阻串联而成，其一般采用电阻率高的金属材料绕制而成。

本实施例中，所述脉冲激光电源系统还包括主泄能单元；所述主泄能单元的两组输入端分别与所述第一主储能单元组的高压端和所述第二主储能单元组的高压端连接，所述主泄能单元的输出端接地；所述控制单元通过光纤与所述主泄能单元连接，用于向所述主泄能单元提供泄能控制、反馈、泄能电流检测信号。

本实施例中，所述主泄能单元包括串联连接的主泄能电阻堆和主泄能继电器，所述主泄能电阻堆的一端作为所述主泄能单元的输入端，所述主泄能电阻堆的另一端与所述主泄能继电器中开关的一端电连接，所述主泄能继电器中开关的另一端作为所述主泄能单元的输出端接地。具体地，本实施例中，所述主泄能单元的电路原理图如图4所示，其中主泄能电阻堆由2组电阻串并联组合而成，每组电阻串中包括多个串联连接的电阻，所述主泄能继电器采用双回路高压继电器。

本实施例中，所述脉冲激光电源系统还包括预充电单元、预储能单元和预放电开关；所述控制单元通过光纤与所述预充电单元的通讯接口连接，用于向所述预充电单元提供光纤串口通讯信号；所述预充电单元的高压输出端与所述预储能单元的高压端连接，所述预充电单元的低压端单点接地；所述预储能单元的高压端与所述预放电开关的阳极连接，所述预储能单元的低压端接地，所述预放电开关的阴极与所述调波电感连接；所述控制单元还通过光纤与所述预放电开关的触发输入接口连接，用于向所述预放电开关发送光纤同步触发信号。

本实施例中，所述第一主放电开关、所述第二主放电开关和所述预放电开关均采用半导体可控硅晶闸管放电开关。

需要说明的是，使用半导体可控硅晶闸管放电开关作为脉冲激光电源中的第一主放电开关、第二主放电开关和预放电开关，可以减少触发控制电路的复杂性，缩小了开关部分所占用的体积，为脉冲激光电源的小型化设计提供了空间，同时，提高了放电开关的可维护性。

本实施例中，所述预储能单元包括预电容器和预电离电感，所述预电容器的负极作为所述预储能单元的低压端接地，所述预电容器的正极与所述预电离电感的输入端连接，所述预电离电感的输出端作为所述预储能单元的高压端与所述预充电单元以及预放电开关连接。需要说明的是，本实施例中，预电容器用于存储预电离能量，预电离电感用于在预放电开关短路时，吸收主放电回路的倒灌能量。

本实施例中，预电离电感也由电感和电阻串联而成，其一般采用电阻率高的金属材料绕制而成。

所述主电容器和预电容器均采用金属化薄膜自愈式电容器。

本实施例中，所述脉冲激光电源系统还包括预泄能单元；所述预泄能单元的输入端与所述预储能单元的高压端连接，所述预泄能单元的输出端接地；所述控制单元通过光纤与所述预泄能单元连接，用于向所述主泄能单元提供泄能控制、反馈、泄能电流检测信号。

具体地，本实施例中，所述预泄能单元的电路原理图如图5所示，所述预泄能单元包括串联连接的预泄能电阻堆和预泄能继电器，所述预泄能电阻堆的一端作为所述预泄能单元的输入端，所述预泄能电阻堆的另一端与所述预泄能继电器中开关的一端电连接，所述预泄能继电器中开关的另一端作为所述预泄能单元的输出端接地，其中所述预泄能继电器采用双回路高压继电器。

本实施例中，所述脉冲激光电源系统还包括诊断单元和CT线圈；所述控制单元通过光纤与所述诊断单元的通讯接口连接，用于向所述诊断单元提供光纤串口通讯信号，所述CT线圈套设在所述调波电感的另一端连接的放电线缆上，以将感应到的放电电流信号传输至所述诊断单元。具体地，CT线圈通过测量放电线缆负极端的电流实现每回路氙灯负载放电电流的测量，本实施例中，CT线圈对应调波电感的数量设置，也设置有m个。CT线圈与放电线缆位置关系示意图如图6所述。

本实施例中，所述CT线圈采用PCB差分罗氏线圈技术方案。

本实施例中，通过CT线圈和诊断单元可以快速地对脉冲激光电源的放电电流波形进行采集和诊断，为脉冲激光电源的放电状态提供判断依据，以提高本实施例中脉冲激光电源的可用性。

本实施例中，所述第一主储能单元组和第二主储能单元组中的主储能单元的数量相同，均为6个；所述调波电感设置有20个，20个调波电感的输入端均与所述耦合均流电感连接，20个调波电感的输出端作为所述脉冲激光电源系统的20路输出端与同轴放电线缆连接。

本实施例中，脉冲激光电源上位机控制软件通过控制单元控制主泄能单元、预泄能单元断开对应的泄能继电器，并控制主充电单元、预充电单元分别给主储能单元、预储能单元的电容器充电储能，当主电容器、预电容器充电电压达到设定值时(如主电容器最高电压31kV，预电容器最高电压28kV)，控制主充电单元、预充电单元停止充电，控制单元依次发出预触发信号、主触发信号给预放电开关和主放电开关(预触发信号需比主触发信号提前250～300μS发出，一种典型的值是250μS，输入至第一主放电开关K1和第二主放电开关K2的触发信号必须完全同步)。预放电开关导通后，预电容器存储的能量依次通过预电离电感YBL、预电离电感YBR和预放电开关K3到达汇流母排，再依次通过m路调波电感、m根放电线缆达到氙灯负载，使氙灯负载预电离。预放电完成后，主触发信号使第一主放电开关K1和第二主放电开关K2导通，主电容器存储的能量依次通过保护电感BL、保护电感BR、第一主放电开关K1、第二主放电开关K2达到耦合均流电感lo的两个输入端，耦合均流电感lo的输出端将两支路的能量汇聚在一起输出至汇流母排，再依次通过m路调波电感、m根放电线缆达到氙灯负载，使氙灯完成主放电。放电过程中，诊断单元通过m路CT线圈同步采集记录m路的氙灯放电电流。主放电完成后，控制单元控制主泄能单元、预泄能单元闭合泄能继电器泄放主电容器、预电容器的剩余能量，并读取诊断单元采集的m路氙灯负载放电电流波形，判断各回路氙灯负载放电是否正常。

在本例中，当脉冲激光电源出现故障无法通过放电开关放电时，可通过控制主泄能单元、预泄能单元的泄能继电器闭合释放电容器存储的能量。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种脉冲激光电源系统，其特征在于：包括控制单元、主充电单元、主储能单元组、主放电开关、耦合均流电感和调波电感，所述主放电开关分为第一主放电开关和第二主放电开关，所述主储能单元组分为第一主储能单元组和第二主储能单元组；所述控制单元通过光纤与所述主充电单元的通讯接口连接；所述主充电单元的两路高压输出端分别与所述第一主储能单元组的高压端和所述第二主储能单元组的高压端连接，所述主充电单元的低压端单点接地，所述第一主储能单元组的高压端还与所述第一主放电开关的阳极连接，所述第二主储能单元组的高压端还与所述第二主放电开关的阳极连接，所述第一主储能单元组的低压端和所述第二主储能单元组的低压端均接地；所述第一主放电开关的阴极和所述第二主放电开关的阴极均通过所述耦合均流电感与所述调波电感的一端连接，所述调波电感的另一端作为所述脉冲激光电源系统的输出端；所述控制单元还通过光纤与所述第一主放电开关和第二主放电开关的触发输入接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述第一主储能单元组和所述第二主储能单元组中均包括多个主储能单元；所述主储能单元包括主电容器和保护电感，所述主电容器的负极作为所述主储能单元的低压端接地，所述主电容器的正极与所述保护电感的输入端连接，所述保护电感的输出端作为所述主储能单元的高压端。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述脉冲激光电源系统还包括主泄能单元；所述主泄能单元的两组输入端分别与所述第一主储能单元组的高压端和所述第二主储能单元组的高压端连接，所述主泄能单元的输出端接地；所述控制单元通过光纤与所述主泄能单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述主泄能单元包括串联连接的主泄能电阻堆和主泄能继电器，所述主泄能电阻堆的一端作为所述主泄能单元的输入端，所述主泄能电阻堆的另一端与所述主泄能继电器中开关的一端电连接，所述主泄能继电器中开关的另一端作为所述主泄能单元的输出端接地。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述脉冲激光电源系统还包括预充电单元、预储能单元和预放电开关；所述控制单元通过光纤与所述预充电单元的通讯接口连接；所述预充电单元的高压输出端与所述预储能单元的高压端连接，所述预充电单元的低压端单点接地；所述预储能单元的高压端与所述预放电开关的阳极连接，所述预储能单元的低压端接地，所述预放电开关的阴极与所述调波电感连接；所述控制单元还通过光纤与所述预放电开关的触发输入接口连接。

6.根据权利要求5所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述第一主放电开关、所述第二主放电开关和所述预放电开关均采用半导体可控硅晶闸管放电开关。

7.根据权利要求5所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述预储能单元包括预电容器和预电离电感，所述预电容器的负极作为所述预储能单元的低压端接地，所述预电容器的正极与所述预电离电感的输入端连接，所述预电离电感的输出端作为所述预储能单元的高压端。

8.根据权利要求5所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述脉冲激光电源系统还包括预泄能单元；所述预泄能单元的输入端与所述预储能单元的高压端连接，所述预泄能单元的输出端接地；所述控制单元通过光纤与所述预泄能单元连接。

9.根据权利要求1所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述脉冲激光电源系统还包括诊断单元和CT线圈；所述控制单元通过光纤与所述诊断单元的通讯接口连接，所述CT线圈套设在所述调波电感的另一端连接的放电线缆上，以将感应到的放电电流信号传输至所述诊断单元。

10.根据权利要求1所述的一种脉冲激光电源系统，其特征在于：所述第一主储能单元组和第二主储能单元组中的主储能单元的数量相同，均为6个；所述调波电感设置有20个，20个调波电感的输入端均与所述耦合均流电感连接，20个调波电感的输出端作为所述脉冲激光电源系统的20路输出端与同轴放电线缆连接。