CN205160404U - 一种高效泵浦脉冲整形电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于脉冲功率技术和激光技术交叉领域，提供一种高效泵浦脉冲整形电源系统，包括电容电感链形网络及包含所述电容电感链形网络的充电储能回路、脉冲整形放电回路，电容电感链形网络由脉冲电容C1～Cn、可调电感L1～Ln混联组成；充电储能回路由恒流充电机M、隔离变压器T、充电保护电阻R1、电容电感链形网络依次串联而成；脉冲整形放电回路由电容电感链形网络、放电开关G、长距离传输电缆TL、大功率脉冲氙灯FL依次串联而成。该电源集充电、储能、控制、开关、脉冲整形、测量、泄放保护功能为一体。具有电流大、泵浦效率高、可控性强、使用寿命长、安全性和可靠性高等特点。

Description

一种高效泵浦脉冲整形电源系统

技术领域

本实用新型属于脉冲功率技术和激光技术交叉领域，具体涉及一种高效泵浦脉冲整形电源系统。

背景技术

高功率固体激光装置通过激光放大、光学整形等技术，将种子光放大为能量高达数千焦的高能激光，该过程中的能量放大由预放大器系统和主放大器系统共同完成。能源系统作为激光装置的关键组成部分，为放大器提供匹配的电脉冲泵浦能量，脉冲的形状、幅度和同步是影响整个激光装置放大器泵浦效率和增益的关键因素。

无论高功率固体激光装置的建造目标是实现激光聚变还是用于物理研究，提高全系统的能量效率都是重点需求之一，这就要求改进放大器能源系统以提高能量传输和转换效率。

目前国内外放大器能源系统普遍采用临界阻尼脉冲电源，具体为集中参数的电容、电感、电阻以及具有非线性阻抗特性的氙灯组成单链LRC放电回路，通过参数匹配，实现临界阻尼脉冲输出。该回路具有结构简单、元器件数量少的特点，但存在波尾长，能量利用率低，会加剧放大器的热效应等缺陷。

对于灯泵放大器，理想的泵浦电流波形是一尾部快速截止、同时前沿较缓(100μs)的平顶方波，增益最大时刻位于泵浦结束时刻，能量利用率接近100％，增益较临界阻尼脉冲高。本实用新型基于这一认识进行设计，同时在设计过程中不降低设备的可靠性要求，并兼顾考虑提升设备的安全性和可操作性以及系统的故障诊断能力。

实用新型内容

本实用新型提供了一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其技术方案如下：

一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其包括电容电感链形网络及包含所述电容电感链形网络的充电储能回路、脉冲整形放电回路，其中：

所述电容电感链形网络由脉冲电容C1～Cn、可调电感L1～Ln混联组成；

所述充电储能回路由恒流充电机M、隔离变压器T、充电保护电阻R1、电容电感链形网络依次串联而成；

所述脉冲整形放电回路由电容电感链形网络、放电开关G、长距离传输电缆TL、大功率脉冲氙灯FL依次串联而成。

进一步，所述恒流充电机M输出端接隔离变压器T的原边，隔离变压器T的副边通过充电保护电阻R1，连接到电容C1两端。

优选地，所述放电开关G设置开关触发器ST。

进一步，所述大功率脉冲氙灯FL的高压端连接到长距离传输电缆的芯线；低压端通过电缆屏蔽层连接到电源的共同接地点。

进一步，其还设置有测量回路，所述测量回路由电阻R2、R3组成的分压器、信号传输线、数据采集板DCB依次连接而成。

此外，R2、R3组成的分压器的两端分别连接到电容C1两端。

进一步，其还设置有泄放保护单元，所述泄放保护单元由常闭泄放开关K、大功率泄放电阻堆Rs串联而成。

进一步，所述常闭泄放开关K与泄放电阻串并联组合Rs组成的泄放保护单元两端分别连接到电容C1两端。

本实用新型的有益效果如下：

第一、本实用新型采用方波脉冲泵浦激光装置放大器，相对传统临界阻尼脉冲泵浦方式，有效提高泵浦能量利用率，提高放大器小信号增益，降低放大器热效应；

第二、电容电感组成的链形网络中各级电感值可调，可获得更优化、符合要求的电流脉冲波形；

第三、本实用新型采用常闭泄放开关，实时监测并形成闭环反馈，有效提高能源安全性、可靠性和故障诊断能力。

第四、本实用新型可获得稳定可靠、经济实用的高效泵浦脉冲电源，为大功率固体激光装置放大器能源提供了新的选择，当放大器增益需求提高时，可有效降低对于激光媒介和箱体结构等的要求和压力。

附图说明

图1为一种高效泵浦脉冲整形电源系统电路结构示意图。

图2为储能相同时，本实用新型具体实施例1中所获得的放电波形与临界阻尼波形对比图。

图3为采用图2所示的方波和临界阻尼波泵浦时，放大器时序-增益曲线对比图。

图中符号说明：

T:隔离变压器；R1：充电保护电阻；R2、R3：分压电阻；K：常闭泄放开关；Rs：泄放电阻堆；C1～Cn：脉冲电容；L1～Ln:可调电感；G：放电开关；OSC：示波器；TL：长距离低损耗传输电缆；FL：大功率脉冲氙灯；DCB：数据采集板；M：恒流充电机M；ST：开关触发器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1，一种向高功率固体激光装置放大器提供泵浦能量的高效脉冲整形电源，包括：一个充电储能回路、一个脉冲整形放电回路、一台开关触发器ST、一个测量回路、一套泄放保护单元。

充电储能回路由恒流充电机M、隔离变压器(含高压硅堆)T、保护电阻R1、脉冲电容器组C1～Cn依次串联而成；

脉冲整形放电回路由电容电感混联组成的链形网络、放电开关G、长距离传输电缆TL、大功率脉冲氙灯FL依次串联而成；此回路中优选设置示波器OSC，用于测量放电回路电流波形。

测量回路由R2、R3组成的分压器、信号传输线、数据采集板DCB依次连接而成；

泄放保护单元由常闭泄放开关K、大功率泄放电阻堆Rs串联而成。

恒流充电机M输出端接隔离变压器(含高压硅堆)T的原边，隔离变压器(含高压硅堆)T的副边通过充电保护电阻，连接到电容C1两端；R2、R3组成的分压器的两端分别连接到电容C1两端；常闭泄放开关K与泄放电阻串并联组合Rs组成的泄放保护单元两端分别连接到电容C1两端。

脉冲氙灯FL高压端连接到长距离传输电缆的芯线；低压端通过电缆屏蔽层连接到电源的共同接地点。

本实用新型的一种高效泵浦脉冲整形电源系统使用时，按以下步骤进行：

S1：将泄放保护单元的常闭泄放开关K断开连接；

S2：启动恒流充电机M向电容电感链形网络充电；

S3：充电过程中测量回路的数据采集板DCB实时监测充电电压值；

S4：当监测到充电电压达到设定值，控制开关触发器ST输出脉冲，导通放电开关G，能量经由脉冲整形放电回路释放，产生大电流方波泵浦脉冲，激励大功率脉冲氙灯FL进行高效电光能量转化，进而泵浦激光媒介实现粒子集居数反转，完成激光放大过程。

其中，步骤S4中，如果放电开关G未触发成功，或在步骤S2中，因故障导致无法在规定时间内充到设定电压，泄放保护单元的常闭泄放开关K闭合，泄放电容器储能。

实施例1：

在本实施例中，恒流充电机恒定输出100mA电流；电容电感组成的链形网络n＝6，即共有6级电容电感单元；电容为6台耐压20kV的金属化膜自愈式电容器，寿命可达2万次充放电；可调电感分别在64μF(1±50％)范围内可调；采用引燃管作为放电开关G；低损耗传输电缆长约50m，直流电阻低于1mΩ/km。

本实施例中，一种高效泵浦脉冲整形电源系统的具体工作过程是：

常闭泄放开关K与泄放电阻堆Rs组成的泄放保护单元断开与主回路的连接，由恒流充电机通过隔离变压器(含高压硅堆)T和充电保护电阻R1，向脉冲电容器组C1～Cn充电至设置电压，R2、R3串联组合而成的分压器实时测量充电电压值，传送到数据采集板进行分析、比对和反馈，当监测到充电电压达值，控制开关触发器输出高压脉冲导通放电开关G，能量经由电容C1～Cn、电感L1～Ln组成的链形网络、放电开关G、长距离传输电缆TL、大功率脉冲氙灯依次串联而成的脉冲整形放电回路释放，产生总持续时间约400μs、峰值约5kA的大电流方波泵浦脉冲，激励氙灯进行高效电光能量转化，进而泵浦激光媒介实现粒子集居数反转，完成激光放大过程。若出现放电开关未触发等故障状况，泄放保护单元即刻闭合，1min之内完全泄放电容器储能。示波器OSC实时测量放电回路电流波形。

图2所示，为储能相同时，本实施例1所获得的放电波形与临界阻尼波形对比图。图3所示为图2所示的方波和临界阻尼波泵浦时，放大器时序-增益曲线对比图。经过实验，相同系统储能下，本实施例电源相对传统的临界阻尼脉冲电源，泵浦增益倍数提升了8.9％，小信号增益系数提升了3.2％，效果显著。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：其包括电容电感链形网络及包含所述电容电感链形网络的充电储能回路、脉冲整形放电回路，其中：

所述电容电感链形网络由脉冲电容C1～Cn、可调电感L1～Ln混联组成；

所述充电储能回路由恒流充电机M、隔离变压器T、充电保护电阻R1、电容电感链形网络依次串联而成；

所述脉冲整形放电回路由电容电感链形网络、放电开关G、长距离传输电缆TL、大功率脉冲氙灯FL依次串联而成。

2.根据权利要求1所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：所述恒流充电机M输出端接隔离变压器T的原边，隔离变压器T的副边通过充电保护电阻R1，连接到电容C1两端。

3.根据权利要求1所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：所述放电开关G设置开关触发器ST。

4.根据权利要求1所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：所述大功率脉冲氙灯FL的高压端连接到长距离传输电缆的芯线；低压端通过电缆屏蔽层连接到电源的共同接地点。

5.根据权利要求1所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：其还设置有测量回路，所述测量回路由电阻R2、R3组成的分压器、信号传输线、数据采集板DCB依次连接而成。

6.根据权利要求5所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：电阻R2、R3组成的分压器的两端分别连接到电容C1两端。

7.根据权利要求1所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：其还设置有泄放保护单元，所述泄放保护单元由常闭泄放开关K、大功率泄放电阻堆Rs串联而成。

8.根据权利要求7所述的一种高效泵浦脉冲整形电源系统，其特征在于：所述常闭泄放开关K与泄放电阻堆Rs组成的泄放保护单元两端分别连接到电容C1两端。