DD291425A5

DD291425A5 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CONTROLLING THE PULSE ENERGY OF IMPULSE LASERS

Info

Publication number: DD291425A5
Application number: DD33666389A
Authority: DD
Inventors: Peter Zacharias; Klaus Busse; Frank Heindoerfer; Achilles Gerrit
Original assignee: Technische Universitaet "Otto Von Guericke",De
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern. Erfindungsgemaesz sind folgende Merkmale vorhanden: Die Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern, bekannterweise einen Gleichrichter, einen Zwischenkreispuffer, einen Wechselrichter, einen Transformator und einen Sekundaergleichrichter mit nachfolgendem Speicherkondensator aufweisend, besitzt im Transformator (5) zusaetzlich eine eng mit der Sekundaerwicklung gekoppelte Hilfswicklung * die ueber einen Schalter (8) mit einer Last (9) verbunden ist.{Laser; Impulslaser; Impulsenergie; Impulsenergiesteuerung; Wechselrichter; Ladeendspannung}The invention relates to a circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulsed lasers. According to the invention, the following features are present: The circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulsed lasers, known to comprise a rectifier, a DC link buffer, an inverter, a transformer and a secondary rectifier with subsequent storage capacitor, additionally has an auxiliary winding closely coupled to the secondary winding in the transformer (5). which is connected to a load (9) via a switch (8). {laser; Pulse laser; Pulse energy; Pulse energy control; Inverters; charge voltage}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern zur Anwendung in Technologie und Meßtechnik.The invention relates to a circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulsed lasers for use in technology and metrology.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Für die Anregung von Lasern im höheren Leistungsboreich, d. h. mit Pumpleistungen oberhalb von einigen Kilowatt, werden wegen der energetischen und materialökonomischen Vorteile in zunohmondom Maßo Stromquellen mit intern erhöhter Frequenz eingesetzt. Konventionelle Anordnungen, die auf netzgeführten Stromrichtern basieren, sind in ihrer Anwendung auf Laser geringer Leistung mit Pumpleistungen von weniger als 0,5kW oder auf Laser mit geringer Pulsfolgefrequenz von weniger als einigen Hertz beschränkt.For the excitation of lasers in the higher performance range, d. H. with pump powers above a few kilowatts, are used because of the energetic and material-economic advantages in zunohmondom Maßo power sources with internally increased frequency. Conventional arrangements based on line-commutated converters are limited in their application to low-power lasers with pump powers of less than 0.5 kW or to lasers with a low pulse repetition frequency of less than a few hertz.

Das Problem besteht in der präzisen Abschaltung des Ladevorganges beim Erreichen der Ladeendspannung. Als hochspannungsseitige Schalter zum Abschalten des Stromes kommen nur Vakuumröhren in Frage. Hier werden sowohl hinsichtlich Wirkungsgrad, Masse-Leistungs-Verhältnis und Robustheit relativ schlechtere Ergebnisse als bei Umrichtervarianten auf der Basis von Festkörperhalbleiterschaltern der Leistungselektronik.The problem is the precise shutdown of the charging process when reaching the Ladeendspannung. As a high-voltage side switch to turn off the power only vacuum tubes in question. Here are both in terms of efficiency, mass-power ratio and robustness relatively poorer results than in converter variants based on solid state semiconductor switches of power electronics.

Demgegenüber sind die leistungselektronischen Halbleiterbauelemente für einen Leistungsbereich oberhalb ein bis zwei Kilowatt hinsichtlich dynamischer Kennwerte den Vakuumröhren unterlegen bei gleichzeitigen Vorteilen hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Masse, aes Volumens, der Robusthoit und der Lebensdauer. Bei den Impulsentladungen der Hochspannungskondonsatoren treten elektromagnetische Störfelder außerordentlich hoher Intensität auf. Wegen der meist geringen Störanfälligkeit lastgeführter Wechselrichterschaltungen werden z. B. reihenkompensierte Schwingkreiswechselrichter favorisiert, die in einem Frequenzbereich bis etwa 4OkHz einsetzbar sind (vgl. DD-WP 261894, EP-PSIn contrast, the power electronic semiconductor devices for a power range above one to two kilowatts are inferior in terms of dynamic characteristics of the vacuum tubes with simultaneous advantages in terms of efficiency, mass, volume, robustness and life. In the pulse discharges of the high voltage condenser electromagnetic interference fields of extremely high intensity occur. Because of the usually low susceptibility load-carrying inverter circuits z. Example, row-compensated resonant circuit inverters favored that can be used in a frequency range up to about 4OkHz (see DD-WP 261894, EP-PS

Bei hohen Pulsfolgefrequenzen wird die Toleranz der Ladeendspannung größer, da die Ladung wegen der Lastführung der Schaltung nur quantifiziert dem Ladekondensator zugeführt wird. Die erreichbare Toleranz der Ladeendspannung liegt in der Größenordnung des Verhältnisses zwischen Pulsfolgefrequenz und Wechselrichterfrequenz. Bei technologisch notwendigen Pulsfolgefrequenzen im Kilohertzbereich und im Start-Stop-Betrieb sind jedoch Toleranzen der Ladeendspannung unter 1 % nicht erreichbar.At high pulse repetition frequencies, the tolerance of the charge end voltage is greater because the charge is only quantified supplied to the charging capacitor because of the load routing of the circuit. The achievable tolerance of the charge end voltage is of the order of magnitude of the ratio between the pulse repetition frequency and the inverter frequency. With technologically necessary pulse repetition frequencies in the kilohertz range and in the start-stop mode, however, tolerances of the final charge voltage below 1% can not be achieved.

Der Hauptnachteil bekannter Lösungen besteht also darin, daß der Anwendungsbereich herkömmlicher Schaltungen zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern begrenzt ist.The main disadvantage of known solutions is therefore that the scope of conventional circuits for controlling the pulse energy of pulsed lasers is limited.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern zu schaffen, deren Anwendungsbereich deutlich vergrößert ist.The aim of the invention is to provide a circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulsed lasers whose range of application is significantly increased.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Es besteht die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern zu entwickeln, die eine Steuerung der Ladeendspannung und damit der Impulsenergie innerhalb enger Toleranzgrenzen gestattet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern, die die bekannterweise einen Gleichrichter, einen Zwischenkreispuffer, einen Wechselrichter, einen Transformator und einen Sekundärgleichrichter mit nachfolgendem Speicherkondensator aufweist, zusätzlich auf dem Transformatorkern eine eng mit der Sekundärwicklung gekoppelte Wicklung aufgebracht ist, die über einen Schalter mit einer Last verbunden ist. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasern ist folgende: Bei Erreichen der gewünschten Ladeendspannung kann durch die gesteuerte Beaufschlagung der zusätzlichen Wicklung der Ladevorgang beendet werden, wobei je nach Wechselrichtercharakteristik dieser gestoppt wird oder weiterläuft. Die Beendigung des Ladevorganges erfolgt, weil durch die Belastung der zusätzlichen Wicklung der magnetische Fluß der Sekundärwicklung verringert wird und andererseits der Sekundärgleichrichter eine Verringerung der Ladung des Speicherkondensators nicht zuläßt.It is an object to develop a circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulse lasers, which allows control of the Ladeendspannung and thus the pulse energy within narrow tolerance limits. According to the invention the object is achieved in that in the circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulsed lasers, which has the known manner a rectifier, a DC link buffer, an inverter, a transformer and a secondary rectifier with subsequent storage capacitor, in addition to the transformer core coupled closely to the secondary winding Winding is applied, which is connected via a switch with a load. The effect of the circuit arrangement according to the invention for controlling the pulse energy of pulsed lasers is the following: Upon reaching the desired charge end voltage can be terminated by the controlled application of the additional winding of the charging, depending on the inverter characteristics of this is stopped or continues running. The termination of the charging process takes place because the load of the additional winding reduces the magnetic flux of the secondary winding and on the other hand the secondary rectifier does not allow a reduction in the charge of the storage capacitor.

Die Toleranz der Ladeendspannung entspricht somit der Schwankungsbreite der in der Streuinduktivität zwischen zusätzlicher und Sekundärwicklung gespeicherten Energie. Damit ist die Ladeendspannungstoleranz über die Größe dieser Streuinduktivität in weiten Grenzen konstruktiv beeinflußbar und also auch entsprechend eng festlegbar.The tolerance of the charge end voltage thus corresponds to the fluctuation range of the energy stored in the leakage inductance between the additional and secondary windings. Thus, the Ladeendspannungstoleranz on the size of this leakage inductance is structurally influenced within wide limits and therefore also determined according tight.

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Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Steuerung der Impulsenergie von Impulslasorn.The accompanying drawing shows the circuit arrangement according to the invention for controlling the pulse energy of pulse lasers.

Gemäß Zeichnung weist diese folgende Elomente auf:According to the drawing, this has the following features:

Gleichrichter 1, Kondonsatoranordnung 2, Ansteuoreinheit 3, Wechselrichter 4, Transformator 5 mit Hilfswicklung Nh, Sekundärgleichrichter 6, Speicherkondensator 7, Schalter 8, Last 9 sowie Meßwerterfasbungseinrichtung 10.Rectifier 1, Kondonsatoranordnung 2, Ansteueroreinheit 3, inverter 4, transformer 5 with auxiliary winding Nh, secondary rectifier 6, storage capacitor 7, switch 8, load 9 and Meßwerterfasbungseinrichtung 10th

Die Spannung des speisenden Netzes wird zunächst im Gleichrichter 1 gleichgerichtet und in der Kondensatoranordnung 2 gepuffert. Die nun zur Vorfügung stehende Gleichspannung wird, gesteuert durch die Ansleuereinhoit 3, mittels dos Wechselrichters 4 zorhackt und dem Transformator 5 zugeführt. Durch das Übersetzungsverhältnis N 2/N1 dos Transformators 5 wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters 4 auf die für den Laser erforderliche Größe gebracht. Der Sekundärstrom des Transformators 5 wird mit dom Sekundärgleichrichter gleichgerichtet und führt zur Aufladung des Spoicherkondonsators 7. Bei Erreichen der geforderten Ladespannung U₁₀M wird die zusätzliche Hilfswicklung Nh des Transformators 5 mittels des leistungselektronischen Schalters 8 an die Last 9 gelegt. Dadurch wird durch die Ladung des Speichers, wie bereits oben beschrieben, abgebrochen. Die Last 9 wird dabei in Abhängigkeit vom Typ des Wechselrichters 4 als Kurzschlußbrücke ausgelegt oder zur Rückspeisung der Energie auf die puffernde Kondensatoranordnung 2 benutzt.The voltage of the feeding network is first rectified in the rectifier 1 and buffered in the capacitor arrangement 2. Controlled by the Ansьuereinhoit 3, which is now available for pre-DC voltage zorhackt by dos inverter 4 and the transformer 5 is supplied. By the gear ratio N 2 / N1 dos transformer 5, the output voltage of the inverter 4 is brought to the required size for the laser. The secondary current of the transformer 5 is rectified with dom secondary rectifier and leads to the charging of the Spoicherkondonsators 7. Upon reaching the required charging voltage U ₁₀ M, the additional auxiliary winding Nh of the transformer 5 is applied by means of the power electronic switch 8 to the load 9. This is aborted by the charge of the memory, as already described above. The load 9 is designed as a short-circuiting bridge depending on the type of the inverter 4 or used to regenerate the energy to the buffering capacitor arrangement 2.

Bei der Anwendung der Erfindung werden die folgenden Vorteile wirksam:In applying the invention, the following advantages become effective:

Es besteht die Möglichkeit der präzisen Steuerung der Impulsenergie von Lasern durch eine weitgehend exakte Stellung der Ladeendspnnnung der Speicherkondensatoren.There is the possibility of precise control of the pulse energy of lasers by a largely exact position of the Ladeendspnnnung the storage capacitors.

Die Toleranzgrenze der Ladeendspannung ist konstruktiv in Form eines völlig unaufwendig in bekannte Laserstromquellen einzuarbeitenden zusätzlichen Details bestimmbar. Auf aufwendige Vakuum- oder Halbleiterschalter im Hochspannungskreis kann verzichtet werden.The tolerance limit of the Ladeendspannung can be determined constructively in the form of a completely inexpensive to incorporate in known laser power sources additional details. Expensive vacuum or semiconductor switches in the high voltage circuit can be dispensed with.

Claims

Circuit arrangement for controlling the pulse energy of pulsed lasers, known to comprise a rectifier, a DC link buffer, an inverter, a transformer and a secondary rectifier with subsequent storage capacitor, characterized in that the transformer (5) additionally has an auxiliary winding (Nh) closely coupled to the secondary winding, which is connected via a switch (8) with a load (9).

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