CN1177233A - 脉冲电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以使装置小型化,而且实现低成本的脉冲电源装置。并联设置充电用电容器5和放电负载6,还包括一开关,接通时由直流电压源1和电抗器2构成闭合电路,将电磁能量贮存于电抗器2,而断开时由电抗器2、电容器5和放电负载6构成闭合回路,将上述电磁能量变为电容器5中的静电能量,并且由直流电压源1的电源电压使该7充电电压升压贮存,并且包括检测直流电压源1电压的电压检测器7和检测电抗器2流过的电流的电流检测器8,由控制电路9A根据检测电压和检测电流使开关4通断。

Description

脉冲电源装置

本发明涉及一种例如铜蒸汽激光器、激发物激光器、二氧化碳气体激光器等脉冲激光器发生激发能量的脉冲电源装置。

图5示出的是例如特开平4-200281公报揭示的现有脉冲电源装置。图中，1为发生直流电压的直流电压源，2为一端与直流电压源1的正向输出端连接的电抗器，4为与直流电压源1并联连接的开关。5为一端与电抗器2另一端连接的电容器，6为与电容器5另一端连接的放电负载，而9为对开关4的通断进行控制的控制电路。

以下说明现有脉冲电源装置的动作。

控制电路9使开关4断开时，直流电压源1的正向输出端子便有电流经电抗器2，再经电容器5、放电负载6这一路径流过，对电容器5充电直到达到直流电压源的输出电压值。

接下来，控制电路9使开关4接通时，经开关4便有急剧的电流流至放电负载6一侧，贮存于电容器5的静电能量释放给放电负载6。

在放电负载6的内部，以该能量为激发源产生激光振荡，并与所释放能量成正比获得激光器光输出。这些动作结束后，再由控制电路9使开关4断开时，便开始对电容器5充电。这些动作在一秒钟内重复进行几百至几千次左右。开关4要高速重复进行高电压大电流的开关动作，因而利用半导体器件组成的半导体开关作为开关4。

现有的脉冲电源装置如上所述构成，因而为了使激光器输出稳定，需要高精度地设定电容器充电电压值。该充电电压值由直流电压源的输出电压精度确定，因而需要直流电压源不仅高电压，而且高精度，因此存在装置大型化、高成本这种问题。

本发明正是要解决上述问题，其目的在于提供一种直流电压源不需要高精度，而且可以大幅降低其输出电压值，而能确保充电电压高精度，使得装置小型化，并且能够实现低成本化的脉冲电源装置。

为了解决上述问题，本发明权项1的脉冲电源装置包括：产生直流电压的直流电压源；与该直流电压源连接的电抗器；限制流过该电抗器的电流方向为某一方向的二极管；与所述电抗器连接的充电用电容器；通过该电容器连接的放电负载；与所述电容器和所述放电负载并联设置，接通时由所述直流电压源和所述电抗器构成闭合回路，在所述电抗器中贮存电磁能量，而断开时由所述电抗器、所述电容器和所述放电负载构成闭合回路，将所述电磁能量变为所述电容器的静电能量，并且由所述直流电压使其充电电压升高贮存的开关；检测所述直流电压源电压的电压检测器；检测所述电抗器流过的电流的电流检测器；根据所述检测电压和所述检测电流使所述开关通断的控制电路。

本发明权项2的脉冲电源装置，相对于权项1的脉冲电源装置而言，将所述控制电路构成为根据所述检测电压，当所述检测电流为规定值时将所述开关切断。

本发明权项3的脉冲电源装置，相对于权项1的脉冲电源装置而言，所述控制电路按下述表达式运算电流值，当所述检测电流值达到上述运算求得的运算值时，将所述开关切断。

Im＝K·Is

其中， $K=\sqrt{{(V*/E-1)}^2-1}$ $\mathrm{Is}=E\·\sqrt{C/L}$

    V*：负载电容器所需的充电电压值

    E：直流电压源电压值

    C：负载电容器静电电容值

    L：电抗器电感值

本发明权项4的脉冲电源装置，相对于权项1至权项3中任一项的脉冲电源装置，所述直流电压源由与市售交流电源连接并使其输出电压升压的变压器；与该变压器连接使其交流电压整流的二极管所组成的整流电路构成。

图1是示意本发明实施例1脉冲电源装置组成的框图。

图2是示意本发明实施例2的工作时序图。

图3是示意本发明实施例3的控制框图。

图4是示意本发明实施例4的框图。

图5是示意现有脉冲电源装置的框图。

实施例1

以下按照附图说明本发明实施例1。图1中，1为直流电压源，2为其一端与直流电压源1正向输出端连接的电抗器，3为将电抗器2流过的电流限制为某一方向的二极管，4为一端同二极管3与下面述及的电容器5之间连接，另一端与直流电流源1负向输出端连接的开闭用开关。

与为一端与二极管3阴极端连接的电容器，6为与电容器5另一端连接的放电负载。此外，7为与直流电压源1两输出端子连接，检测直流电压源1电压的电压检测器；8为设于直流电压源1的负向输出端与开关4之间，检测电抗器2流过的电流的电流检测器；9A为其输入端与电压检测器7和电流检测器8连接，其输出端则与开关4的控制端子连接，输入电压检测器7的检测电压和电流检测器8的检测电流，对开关4进行通断控制的控制电路。

另外，开关4与电容器5和放电负载6并联设置，基接通时由直流电压源1和电抗器2构成闭合回路，使电磁能量贮存于电抗器2，而断开时由电抗器2、电容器5和放电负载6构成闭合电路，将贮存于电抗器2的电磁能量变为电容器5的静电能量，并且由直流电压源1的输出直流电压使其充电电压升压贮存。

以下说明该实施例1的动作。首先，使开关4接通时，直流电压源1的两输出端变成由电抗器2短路，电抗器2上流过的电流I可用接通时间T、直流电压源1的输出电压E和电抗器的电感值L，由下式表达。

I＝E/L×T

E值在开关接通时间T期间视为一定时，与开关接通时间成正比的电流作为电磁能量贮存于电抗器2中。然后，断开开关4时，从直流电压源1经电抗器2、二极管3有充电电流流过电容器5，断开开关4之前电抗器2流过的电流Im作为初始值与此电流相加。

另一方面，无该初始电流时的充电电流最大值Is，用电容器5的静电电容C由下式表达。 $\mathrm{Is}=E\·\sqrt{C/L}$

因而，开关4断开后充电电流I由

ImCOS(t)+IsSIN(ωt)

两项之和表示，但将开关4断开时刻设为t＝0的话，上述电流I便正向流过二极管3规定时间，但电流值将减少，变为零便使得电流方向反相。但二极管3阻止这种电流反相，结束对电容器5的充电动作。根据与升压斩波器相同的原理，充电电压值可以升压为直流电压源2倍以上输出电压，理论上还可以升压为任何倍数。

然后通过接通开关4，贮存于电容器5的静电能量通过开关4，在极短时间提供给放电负载6，同时再一次开始向电抗器2贮存电磁能量。这一系列动作当中，电容器5的充电电压值Vc取决于充电电流I。

检测出直流电压源1的输出电压值E和电抗器2中流过的电流值I，便可获得上述Im、Is，能够对充电电压值进行控制。图中，分别由电压检测器7和电流检测器8检测输出电压值和电抗器2电流值I，输入控制电路9。控制电路9用这些检测值，如后面所述对开关进行通断控制，以便获得所需的充电电压值。

综上所述，按照实施例1，直流电压源不需要输出电压精度，能够对充电电压值进行控制，而且直流电压源输出电压可相对于充电电压大幅低电压化。

实施例2

以下就实施例1所示的控制电路的一例动作对本发明实施例2进行说明。图2是说明控制电路动作用的时序图。

图2中，Im是要得到所需的充电电压而在开关4断开之前电抗器2应流过的电流值，I是电流检测器8检测出的电抗器2的电流波形，T是开关4的通断控制信号，V是电容器5的充电电压波形。电抗器2流过的电流值将超过Im的时刻确定为开关4的断开定时，对电容器5进行充电。

充电结束后经过了比充电开始起至充电结束这一充电时间足够长的时间，因而对开关进行接通指令。如后面所述，由所需充电电压值与此时的电压值E计算出Im，便可以通过单纯的电流值比较控制开关的接通时间，可简单地获得所需的充电电压值。

实施例3

以下作为本发明实施例3说明一例实施例2中所示的Im求法。

图3中，V*为所需的充电电压；10为输入所需的充电电压V*和电流检测器7检测出的检测电压值求得V*/E的除法器；11为与除法器10的输出端连接，从该输出减去1的减法器；12为与减法器11的输出端连接，使其输出平方的平方运算器；13为与平方运算器12的输出端连接，从其输出当中减去1的减法器；14为与减法器13的输出端连接，由该输出求平方根的平方根运算器；15为输入检测电压值E和后面述及的S值，使之相乘的乘法器；16为与乘法器15的输出端和平方根运算器14的输出端连接，使它们的输出相乘得到Im的乘法器；17为与该乘法器16输出端和电流检测器8输出端连接，比较这些输出的比较电路。

这种构成下，开关4断开之前电抗器2应流过的电流值Im用下式 $K=\sqrt{{(V*/E-1)}^2-1}$ $S=\sqrt{C/L}$

按Im＝K×E×S求得。

用上述公式进行运算，便可以简单正确地获得用以得到所需充电电压V*的电流值Im。

实施例4

以下作为本发明实施例4对实施例1至3中所示的直流电压源一具体例加以说明。

图4中，19为与市售交流电源(图示例中为3相，但1相也行)连接，使其输出电压升压的变压器，20为与变压器19连接的使其交流电压整流的桥式整流电路，由二极管组成。作为上述直流电压源1包括如上所述组成，而且由控制电路9自如控制电容器5的充电电压的话，便不需要直流电压源的输出电压精度。而且，按照这种构成，也能应用400V/6.6KV等通用变压器，因而作为脉冲电源装置的组成还可以进一步简化，低成本化。

本发明权项1的脉冲电源装置包括：产生直流电压的直流电压源；与该直流电压源连接的电抗器；限制流过该电抗器的电流方向为某一方向的二极管；与所述电抗器连接的充电用电容器；通过该电容器连接的放电负载；与所述电容器和所述放电负载并联设置，接通时由所述直流电压源和所述电抗器构成闭合回路，在所述电抗器中贮存电磁能量，而断开时由所述电抗器、所述电容器和所述放电负载构成闭合回路，将所述电磁能量变为所述电容器的静电能量，并且由所述直流电压使其充电电压升高贮存的开关；检测所述直流电压源电压的电压检测器；检测所述电抗器流过的电流的电流检测器；根据所述检测电压和所述检测电流使所述开关通断的控制电路。因而，对直流电压源而言，不需要输出电压控制功能，不必直接检测充电电压，能够高精度地对充电电压进行控制。而且，不易受放电噪声和开关噪声的影响，可获得稳定动作。此外，可相对于充电电压值大幅减小直流电压值，因而直流电压源的输出电压可以低电压，而且脉冲电源装置的组成可大幅简化，具有小型化和低成本化的效果。

而且，本发明权项2的脉冲电源装置，相对于权项1的脉冲电源装置而言，是将所述控制电路构成为根据所述检测电压，当所述检测电流为规定值时将所述开关切断。因而，除此前述效果之外，还具有可通过单纯的电流值的比较，控制开关的接通时间，从而简单地获得所需充电电压值这种效果。

此外，本发明权项3的脉冲电源装置，相对于权项2的脉冲电源装置而言，所述控制电路按下述表述式运算电流值，当所述检测电流值达到上述运算求得的运算值时，将所述开关切断。因而，除了上述效果，具有可以简单和正确地获得用以得到所需充电电压V*的电流值Im。

Im＝K·Is

其中， $K=\sqrt{{(V*/E-1)}^2-1}$ $\mathrm{Is}=E\·\sqrt{C/L}$

    V*：负载电容器所需的充电电压值

    E：直流电压源电压值

    C：负载电容器静电电容值

    L：电抗器电感值

另外，本发明权项4的脉冲电源装置，相对于权项1至权项3中任一项的脉冲电源装置，所述直流电压源由与市售交流电源连接并使其输出电压升压的变压器，与该变压器连接使其交流电压整流的二极管所组成的整流电路构成。因而，除上述效果之外，直流电压源不需要输出电压精度，而且可应用通用变压器，因而具有构成进一步简化，而且可以低成本化这种效果。

Claims (4)

1.一种脉冲电源装置，其特征在于包括：产生直流电压的直流电压源；与该直流电压源连接的电抗器；限制流过该电抗器的电流方向为某一方向的二极管；与所述电抗器连接的充电用电容器；通过该电容器连接的放电负载；与所述电容器和所述放电负载并联设置，接通时由所述直流电压源和所述电抗器构成闭合回路，在所述电抗器中贮存电磁能量，而断开时由所述电抗器、所述电容量和所述放电负载构成闭合回路，将所述电磁能量变为所述电容器的静电能量，并且由所述直流电压使其充电电压升高贮存的开关；检测所述直流电压源电压的电压检测器；检测所述电抗器流过的电流的电流检测器；根据所述检测电压和所述检测电流使所述开关通断的控制电路。

2.如权利要求1所述的脉冲电源装置，其特征在于，所述控制电路构成为根据所述检测电压，当所述检测电流为规定值时将所述开关切断。

3.如权利要求2所述的脉冲电源装置，其特征在于，所述控制电路按下述表达式运算电流值，

Im＝K·Is

其中， $K=\sqrt{{(V*/E-1)}^2-1}$ $\mathrm{Is}=E\·\sqrt{C/L}$

    V*：负载电容器所需的充电电压值

    E：直流电压源电压值

    C：负载电容器静电电容值

    L：电抗器电感值

当所述检测电流值达到所述运算求得的运算值时，将所述开关切断。

4.如权利要求1至3中任一项所述的脉冲电源装置，其特征在于，所述直流电压源还包括：与市售交流电源连接、使其输出电压升压的变压器；以及由与该变压器连接、使其交流输出整流的二极管所组成的整流电流。