CN2724358Y

CN2724358Y - 用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源

Info

Publication number: CN2724358Y
Application number: CN 200420017383
Authority: CN
Inventors: 程五四
Original assignee: Wuhan Chutian Laser Group Co Ltd
Current assignee: Wuhan Chutian Laser Group Co Ltd
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2014-03-11

Abstract

本实用新型涉及一种驱动连续氪灯的电源。用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源，交流电经整流桥整流，电容(C₀)滤波后，给主电源提供直流电源，由绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)、滤波电感(L)、电容(C₁)、续流二极管(D₁)组成串联开关调制电源主电路；滤波电感(L)、点火线圈(BT₂)的输出端与氪灯相连；其特征是：绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)与驱动模块(EXB841)的脚(1)、脚(3)、脚(6)相连接，驱动模块(EXB841)的脚(14)、脚(15)与单片机控制电路的插座(CZ4)相连接，单片机控制电路的由插座(CZ3)继电器线圈的驱动单元(GD₁、GD₂、GD₃)相连接。它具有稳定性好、工作电流范围值大的特点。

Description

用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源

技术领域

本实用新型涉及一种电源，具体涉及一种驱动连续氪灯的电源，用于标刻、焊接等领域。

背景技术

目前，连续氪灯泵浦的YAG激光器，正广泛应用于打标、刻线、划片、焊接等领域。针对不同的应用，其激光系统的组成和驱动连续氪灯的激光电源是不相同的。在驱动连续氪灯的电源中，大部分都是采用IGBT开关作PWM调制的开关电源。它们作用于激光氪灯上的电流波形是一条连续的直线，如图1，主电路原理图如图2。从原理图上看是串联调压式开关电源。由于控制量是灯上的电流，实际上就是恒流电源。调节给定的电流量，就可以实现对激光能量或功率的调节。这种电源的控制电路通常采用专用集成电路如TL494、SG3525、VC3842等。工作电流一般设定在8A～30A。对于某种规格的氪灯而言，其最大注入功率是一定的。电流太大就有炸灯的危险，同时由于专用PWM集成电路的控制方式存在局限性，其控制电流的调节范围也不能太大，那样会降低电源的稳定性。所以这种电源驱动的激光器，只能工作在低峰值的连续状态，其氪灯上的瞬时电流就是平均电流。对应输出的激光能量或功率也处于低峰值的连续状态。

另外，在驱动连续氪灯的电源中，还有一种用可控硅作移相调压的电源，它们作用于激光氪灯上的的电流波形是一组脉冲，如图3，主电路原理图如图4。由上图可以看出，改变可控硅的导通角，可调节电路的输出电压，从而改变氪灯上的的电流，达到调节激光功率的目的。由于工业用电是50Hz，在单相整流后，电源脉冲频率是100Hz，并且只能是100Hz。通过移相调压调功率，不能调频调功。通过从原理上看，这种电源的稳定性是比前者差的，但灯上的瞬时电流即脉冲的峰值电流可达50A～60A。因此这种电源驱动的激光器相对来说是工作在高峰值脉冲状态下的，相比前一种电源在相同的平均电流下，其出光效率要高一些，在低电流下尤其明显。

发明内容

针对上述不足，本实用新型的目的在于提供一种稳定性好、工作电流范围值大的用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源，继电器J₁一端与交流电相连，继电器J₁另一端经整流桥整流，电容C₀滤波后，给主电源提供直流电源，由绝缘栅型场效应晶体管IGBT、滤波电感L、电容C₁、续流二极管D₁组成串联开关调制电源主电路；继电器J₃、高压变压器BT₁、整桥流QL₂、滤波电容C₃、分压电阻R₁、继电器J₂、分压电阻R₂、放电电容C₄、点火线圈BT₂组成高压触发电路；继电器J₁、继电器J₂、继电器J₃分别与继电器线圈的驱动单元GD₁、GD₂、GD₃的输出端相连接，电容C₁、电容C₀与点火线圈BT₂之间设有隔离二极管D₂，滤波电感L、点火线圈BT₂的输出端与氪灯相连；其特征是：绝缘栅型场效应晶体管IGBT与驱动模块EXB841的脚1、脚3、脚6相连接，驱动模块EXB841的脚14、脚15与单片机控制电路的插座CZ4相连接，单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD₁、GD₂、GD₃相连接。

单片机控制电路包括二单片机芯片87C51(U8和U6)，单片机芯片U8的P0口线和P2口线通过插座CZ7与按键显示电路的插座CZ1相连，U8的P1口线通过D/A转换芯片DAC0832及运放0P37在比较器LM393的负输入端建立一个给定电压，电流传感器LEM的输入信号由CZ1插座输入，在比较器LM393正输入端建立一个电流反馈信号电压，当电流传感器的信号电压高于给定电压时，比较器的输出信号去触发D触发器74LS74翻转，关断绝缘栅型场效应晶体管IGBT的驱动信号，单片机控制电路由插座CZ4与驱动模块EXB841的脚14、脚15相连接，驱动模块EXB841由脚1、脚3、脚6与绝缘栅型场效应晶体管IGBT相连接，二单片机芯片U6通过P1.1口线与D触发器74LS74的CL端相连；单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD₁、GD₂、GD₃相连接。

本实用新型采用单片机控制电路，具有稳定性好、工作电流范围值大的特点。在连续恒流模式下，通过D/A转换器送出稳定的相应于8A～30A电流的给定电压，使电源工作在8A～30A的恒流模式下。在脉冲调制模式下，通过D/A转换，以用户设定的某个频率、脉宽、电路峰值送出变化的给定电压，使电源工作在脉冲模式下或者说电流的脉动状态下，脉冲调制频率必须远远低于电源本身的开关频率20KHz。目前本电源的脉冲频率暂定为250Hz、脉宽2ms、电流峰值30A～60A。在规定的参数限额内，用户以所设置的参数运行，是不会造成氪灯的损害的，其稳定性好。

附图说明

图1是现有的恒流模式电源(IGBT开关作PWM调制的开关电源)的电流波形图

图2是现有的恒流模式电源(IGBT开关作PWM调制的开关电源)的主电路原理图

图3是现有的脉冲模式电源(可控硅作移相调压的电源)的电流波形图

图4是现有的脉冲模式电源(可控硅作移相调压的电源)的主电路原理图

图5是本实用新型在脉冲调制模式下的电流波形图

图6是本实用新型的主电路原理图

图7是本实用新型的单片机控制电路原理图

图8是本实用新型的按键显示电路原理图

具体实施方式

如图6所示，用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源，继电器J₁一端与交流电相连，继电器J₁另一端经整流桥整流，电容C₀滤波后，给主电源提供直流电源，由绝缘栅型场效应晶体管IGBT、滤波电感L、电容C₁、续流二极管D₁组成串联开关调制电源主电路；继电器J₃、高压变压器BT₁、整桥流QL₂、滤波电容C₃、分压电阻R₁、继电器J₂、分压电阻R₂、放电电容C₄、点火线圈BT₂组成高压触发电路；继电器J₁、继电器J₂、继电器J₃分别与继电器线圈的驱动单元GD₁、GD₂、GD₃的输出端相连接，电容C₁、电容C₀与点火线圈BT₂之间设有隔离二极管D₂，滤波电感L、点火线圈BT₂的输出端与氪灯相连；其特征是：绝缘栅型场效应晶体管IGBT与驱动模块EXB841的脚1、脚3、脚6相连接，驱动模块EXB841的脚14、脚15与单片机控制电路的插座CZ4相连接，单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD₁、GD₂、GD₃相连接。

如图7所示，单片机控制电路包括二单片机芯片87C51(U8和U6)，单片机芯片U8的P0口线和P2口线通过插座CZ7与按键显示电路的插座CZ1相连，U8的P1口线通过D/A转换芯片DAC0832及运放OP27在比较器LM393的负输入端建立一个给定电压，电流传感器LEM的输入信号由CZ1插座输入，在比较器LM393正输入端建立一个电流反馈信号电压，当电流传感器的信号电压高于给定电压时，比较器的输出信号去触发D触发器74LS74翻转，关断绝缘栅型场效应晶体管IGBT的驱动信号，单片机控制电路由插座CZ4与驱动模块EXB841的脚14、脚15相连接，驱动模块EXB841由脚1、脚3、脚6与绝缘栅型场效应晶体管IGBT相连接，二单片机芯片U6通过P1.1口线与D触发器74LS74的CL端相连；单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元GD₁、GD₂、GD₃相连接。

在恒流连续电源的基础上，开发出脉冲调制功能。使其既可以工作在连续状态下，又可以工作在脉冲状态下。并且在二种工作模式下，其作用于连续氪灯上的平均功率低于氪灯上允许的最大功率。为此，电源设定二种工作模式，即恒流连续模式和脉冲调制模式。当工作在连续恒流方式时，其工作模式与普通的恒流电源相同，其电源的平均功率与峰值瞬时功率相等，电流的工作范围是8A～30A。对单灯工作而言，通常灯电流在8A～10A时是没有激光产生的，一般情况下要到14A左右激光器才会有激光输出，也就是说激光输出对电流而言是有阈值的。电流越高，其激光峰值功率越大。对于一个φ6×100的连续氪灯最大输出功率在3500W左右。对应的最大电流就在30A左右。在连续工作模式下最大电流就是30A。低于出光阈值的电流称为休眠电流。一般设定为8A。

当电源工作在脉冲调制模式下时，其电流的瞬时值是变化的。控制电流波形如图5。

I₀为灯的休眠电流，通常为6A～8A。I₁为峰值电流。实际上电源输出的电流是一串峰值为I₁，脉宽为t，频率为f的脉冲。I₁电流值远远大于平均电流，为30A～60A甚至更大(只要灯容许)。由于灯的最大注入功率是一定的，因此用户设定的I₁、t和f是有限的。在不同的I₁、t、f的组合下，满足式：

I₁ ²R×t×f+I0²R(1/f-t)×f≤Pmax(注入)(1)

则电源可以安全运行。

(R：灯电阻 f：脉冲频率 t：脉宽 Pmax：灯的最大功率)

这种控制方式是集成专用PWM电路上无法实现的，必须用单片机电路实现控制。二种模式下的工作方式，将大大延伸这种电源的应用领域。

现将工作原理说明如下：

本实用新型的主电路原理图如图6所示，

单相动力交流电经整流桥整流，电容C₀滤波后，给主电源提供直流电源。(在这里如果用三相电，就用三相整流桥)。IGBT是绝缘栅型场效应晶体管，起调制开关作用。由绝缘栅型场效应晶体管IGBT、滤波电感L、电容C₁、续流二极管D组成串联开关调制电源主电路。由单片机控制单元提供一个10mA电流，控制绝缘栅型场效应晶体管IGBT的驱动模块EXB841来驱动IGBT开关。当其导通时，电流经氪灯、电感L形成回路，且不断增加，同时给C₁充电，当达到一定的电流后如给定电流值，控制IGBT开关断开。由于电感上的电流不能突变，电流就沿续流二极管D₁续流回去。这时是给C₁放电，氪灯及电感L上电流开始减少，一定时间后，IGBT又导通。这样周而复始，使电流波动在某个范围内。由于C₁的滤波作用，IGBT以20KHz的开关频率调制，在氪灯上近似形成一个连续平稳的电流。其闭环控制的电流取样为LEM电流传感器，单片机控制单元将电流传感器LEM的取样信号与用户输入的电流值给定信号进行比较。用其差值控制相应的绝缘栅型场效应晶体管IGBT开关占空比，达到控制灯上的电流的目的。控制电流的范围为6A～60A，电流传感器LEM的取样范围为0～75A，IGBT开关调制频率为20KHz。由于电流的工作范围大，电感L必须在60A下保证电感量在0.5～0.7MH。不饱和，保证其线性，才能使电路稳定工作。其占空比的变化范围也是非常大的。单片机的控制单元将在后面说明。

高压变压器BT₁、整流桥QL₂、滤波电容C₃、分压电阻R₁、分压电阻R₂、放电电容C₄、点火线圈BT₂组成高压触发电路。GD₁、GD₂、GD₃为单片机控制继电器线圈的驱动单元。工作过程如下：

开机后，由单片机控制J₁继电器吸合，给主电源回路通电，绝缘栅型场效应晶体管IGBT驱动电路EXB841在单片机控制下进入开关调制状态。开始时由于氪灯内的气体未激发，两电极间的电阻无穷大，因而在主回路中没有电流通过。LEM检测的电流为零，IGBT以最大的占空比开关工作。高压变压器BT₁这边产生的高压，经整流桥QL₂整流滤波后一路通过点火线圈BT₂的次级线圈加在灯上，另一路经分压电阻R₁、分压电阻R₂分压后在C₄上充入约600V～700V的电压，这时候单片机控制继电器J₂吸合。放电电容C₄通过继电器J₂的触头，点火线圈BT₂的初级线圈放电，因而在点火线圈BT₂的次级上产生约30000V左右的高压，因此氪灯中的气体被击穿，产生弧光放点，又由于主回路的、IGBT处在工作状态，因而主回路立刻开始工作，约1秒钟后电路处于稳定状态，随后单片机控制继电器J₃吸合，其常闭触电J₃断开高压电路，继电器J₂触点返回，高压点火电路退出工作，主回路正常运行。D₂是隔离二极管，用于阻止在点火前的高压电路对电容C₁、电容C₀充高压。以上是主电路的工作过程。

下面简述单片机控制电路的工作原理，原理图如图7、图8所示，

从图中可以看出，其控制核心是二片87C51单片机芯片U8和U6。U8的P0口线和P2口线通过插座CZ7与图8中的按键显示电路相连以建立人机联系通道。U8的P1口线通过D/A转换芯片DAC0832及运放OP27在比较器LM393的负输入端建立一个给定电压，电流传感器LEM的输入信号由CZ1插座输入，在LM393正输入端建立一个电流反馈信号电压，当电流传感器的信号电压高于给定电压时，比较器的输出信号去触发74LS74翻转，关断IGBT的驱动信号(通过CZ4送出)。使每个周波的电流上升值不超过给定电流值。达到稳定恒流的目的。U6 87C51的作用在于控制IGBT的调制周期。当IGBT导通时，电流上升。超过给定值时，LM393触发74LS74翻转，关断IGBT，电流开始下降，一定时间后，U6 87C51通过P1.1口线送低电平至74LS74的CL端，将其输出Q清零。IGBT重新导通。本电路U6的控制周期在20KHz.。U6的作用还兼顾所有继电器的驱动及水压、过流检测等工作。当发生故障情况时，U6的INT0、INT1处于低电平，立刻触发中断。中断后首先通过P1.3送高电平，经74LS74的PR端将其置位。关断IGBT。接着将P1.0、P1.4、P1.5送高电平关断相应的继电器。接继电器控制单元的输出线经CZ3插座送出。其中CJ代表主回路中的J1、FIRE代表J2、OUTPOWER代表J3，CZ1是LEM的输入信号插座；脚1接LEM上的+；脚2接LEM上的M；脚3接LEM上的-。CZ4输出驱动IGBT驱动模块EXB841的10mA开关信号。

按键显示电路如图8。整个面板的显示和按键都是通过单片机U8 P0和P2口控制的。P0口控制显示，低四位输出BCD码，一路经4511驱动数码管的段显示，另一路通过U15、U16、74LS75驱动发光二极管作相应的状态显示如脉冲模式、恒流模式、水温、水压故障告警等。P0口的高四位输出至74LS138译码，作数码管的位控选择，六位数码管在不同的工作模式下，显示不同的参数意义。U8的P2口控制按键的输入，各种参数的输入给定，二种工作模式的切换及开机高压点灯等动作均由按键设置输入。在连续工作模式下，单片机U8的内部程序限定了用户所设置的最高工作电流和最低休眠电流。在脉冲工作模式下，U8的内部程序确定了最高功率与峰值电流及脉冲频率关系的算法。对于不同尺寸的氪灯，功率差别很大，因此其电源驱动不同的氪灯时，其最高限额是不同的。

再此重述一下U8的工作过程，在连续恒流模式下，通过D/A转换器送出稳定的相应于8A～30A电流的给定电压，使电源工作在8A～30A的恒流模式下。在脉冲调制模式下，通过D/A转换，以用户设定的某个频率、脉宽、电路峰值送出变化的给定电压，使电源工作在脉冲模式下或者说电流的脉动状态下，脉冲调制频率必须远远低于电源本身的开关频率20KHz。目前本电源的脉冲频率暂定为250Hz、脉宽2ms、电流峰值30A～60A。在规定的参数限额内，用户以所设置的参数运行，是不会造成氪灯的损害的。其U8中算法的依据为前面的算式(1)。

Claims

1.用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源，继电器(J₁)一端与交流电相连，继电器(J₁)另一端经整流桥整流，电容(C₀)滤波后，给主电源提供直流电源，由绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)、滤波电感(L)、电容(C₁)、续流二极管(D₁)组成串联开关调制电源主电路；继电器(J₃)、高压变压器(BT₁)、整桥流(QL₂)、滤波电容(C₃)、分压电阻(R₁)、继电器(J₂)、分压电阻(R₂)、放电电容(C₄)、点火线圈(BT₂)组成高压触发电路；继电器(J₁)、继电器(J₂)、继电器(J₃)分别与继电器线圈的驱动单元(GD₁、GD₂、GD₃)的输出端相连接，电容(C₁)、电容(C₀)与点火线圈(BT₂)之间设有隔离二极管(D₂)，滤波电感(L)、点火线圈(BT₂)的输出端与氪灯相连；其特征是：绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)与驱动模块(EXB841)的脚(1)、脚(3)、脚(6)相连接，驱动模块(EXB841)的脚(14)、脚(15)与单片机控制电路的插座CZ4相连接，单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元(GD₁、GD₂、GD₃)相连接。

2.根据权利要求1所述的用于驱动连续氪灯的脉冲、恒流两用电源，其特征是：单片机控制电路包括二单片机芯片(U8、U6)，单片机芯片(U8)的P0口线和P2口线通过插座(CZ7)与按键显示电路的插座(CZ1)相连，单片机芯片(U8)的P1口线通过D/A转换芯片(DAC0832)及运放(OP27)在比较器(LM393)的负输入端建立一个给定电压，电流传感器(LEM)的输入信号由插座(CZ1)输入，在比较器(LM393)正输入端建立一个电流反馈信号电压，当电流传感器的信号电压高于给定电压时，比较器的输出信号去触发D触发器(74LS74)翻转，单片机控制电路由插座CZ4与驱动模块(EXB841)的脚(14)、脚(15)相连接，驱动模块(EXB841)由脚(1)、脚(3)、脚(6)与绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)相连接，二单片机芯片(U6)通过P1.1口线与D触发器(74LS74)的CL端相连；单片机控制电路由插座CZ3与继电器线圈的驱动单元(GD₁、GD₂、GD₃)相连接。