零电压开关预燃电源的研究
出处:杨真人 发布于:2007-05-13 17:00:31
叶志生 郁洪刚 王升平 高慧敏 朱宝忠
摘要:本文提出了在脉冲氙灯预燃电路中将着火电压与预燃电流由不同电路来提供的设计思想,并采用了零电压开关技术。对逆变器的工作过程进行了数学分析,对功率开关管实现零电压开通的条件进行了讨论。实验证明该预燃电源在负载断路和短路情况下都能正常工作,功率开关管的开关损耗非常小,开关频率可达100 kHz,减小了电源体积,提高了电源效率,适用于各种尺寸的脉冲氙灯。
关键词:零电压开关; 预燃电源; 氙灯
中图分类号:TN245 文献标识码:A
文章编号:1005-0086(2000)02-0163-04
Research on Zero-Voltage-Switched Simmering Circuit
YE Zhi-sheng, YU Hong-gang, WANG Sheng-ping, GAO Hui-min, ZHU Bao-zhong
(Institute of Precision Instruments and Photo-electronic Engineering,Tianjin Univ.300072)
Abstract:This paper introduces a new circuit using the zero-voltage-switched (ZVS) technology for simmering Xe Lamp.The firing voltage and the simmering current are supplied by different circuit separately.The resonant courses and the conditions to achieve ZVS are analyzed.The switched loss is reduced because of using ZVS.The resonant frequency can reach 100 kHz and the size of power is decreased consequently.The compact circuit can be used in simmering all kinds of Xe Lamps that have different size and air pressure by adjusting the parameters.The circuit can also be used in He-Ne power.
Key words:zero-voltage-switched; simmering circuit; Xe Lamp
1 引言
脉冲氙灯是高功率脉冲激光电源常用的泵浦灯,在重复率较低的情况下,一般需要在脉冲大电流放电之前加上预燃电流。这样有利于延长氙灯寿命,提高泵浦效率,减小点火脉冲引起的射频干扰和电磁干扰,可以消除由高压点火带来的紫外辐射[1]。
对于两支串联的110 mm×Φ7 mm脉冲氙灯,在触发前,电极两端应维持1 500 V左右的着火高压;当触发高压(15 kV左右)在1~2 μs内形成弧光放电,氙灯的等效电阻迅速减小,灯内形成稳定的预燃电流。对于10 Hz的重复率脉冲氙灯,其预燃电流一般应维持在120 mA左右。这种预燃电源取代了以往用大功率电阻来限流的方法,使电源的效率有了很大提高。其特点是:1)着火电压与预燃电流分别由不同电路提供,这样可以分别调节着火电压和主回路预燃电流;2)采用零电压开关的软开关技术,减小功率开关管的开关损耗,提高谐振频率,减小电源的体积;3)一般氙灯的负载既有短路(主回路大电流放电时)又有断路(触发前)的情况,主回路采用串并联准谐振电路,使负载在开路或短路时都不影响主回路谐振[2],能够可靠稳定的工作。
预燃电源的原理图如图1所示。其中预燃电路的主回路采用零电压串并联准谐振型开关电源,着火电压由倍压电路提供,采用外触发方式。
图1 预燃电源的原理图 |
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(a)Driving circuit (b)Waveforms of the driving circuit 2 零电压串并联准谐振逆变器的研究 2.1 零电压串并联准谐振逆变器的数学分析 |
零电压串联准谐振逆变器的原理图如图3所示;1个开关周期逆变器各谐振状态(只画出前4个)等效原理图如图4所示,相应波形如图5所示。 |
图3 零电压开关逆变器原理图 |
图4 1个开关周期逆变器各状态等效原理图 |
图5 逆变器工作波形图 逆变器在1个周期内的工作过程可分为8个状态,由于后4个与前4个是一一反对称的,因此只对前4个状态进行数学分析[3]。首先假设:1)开关管开通时谐振电流近似为零;2)在第1、3、4状态,励磁电流近似为零。 i(t0)=i0=0 Uc(t0)=Uc0 谐振回路的状态方程为 解以上方程得 Uc(t)=E+(Uc0-E)cos[ω1(t-t0)] (1) i(t)=[(E-Uc0)/Z1]sin[ω1(t-t0)] (2) 式中 i(t1)=i1 Uc(t1)=Uc1 谐振回路的状态方程为 解以上方程得 Uc(t)=E+(Uc1-E)cos[ω2(t-t1)]+i1z2sin[ω2(t-t1)] (3) i(t)=[E-Uc1/Z2]sin[ω1(t-t1)]+i1cos[ω2(t-t1)] (4) 式中 C2=Cs ω2=1/LC2 z2=L/C2 i(t2)=i2 Uc(t2)=Uc2 谐振回路的状态方程为
解以上方程得 (5) (6) 式中 i(t3)=i3 Uc(t3)=Uc3 谐振回路的状态方程为 解以上方程得 Uc(t)=(Uc3-E)cos[ω4(t-t3)] (7) i(t)=[(E-Uc3)/Z4]sin[ω4(t-t3)]+i3 (8) 式中 在零电压开关时,开关频率的大小近似由下式确定(f0略小于fr): f0=fr=1/2π1 C1=CsCp/(Cs+Cp) 因此,在给定开关频率和输出功率的条件下,可以近似确定L和Cp。对于100 W左右的输出功率,Cs一般取大于10 Cp即可。 2)截止时间小于T2[图3中A点的波形如图6(c)所示]其中T2由Uc01=(1/C01)∫T20(1/2)dt=E式求出。 |
图6 图3中A点电压波形 从波形图可见,以上3种情况都不能实现零电压开通,在开关管非零电压导通瞬间,会产生很大的尖峰电流,功率开关管的开通损耗很大,VDMOS严重发热。应避免使功率开关管工作在这3种情况下。 作者简介:叶志生(1946-),男,浙江人,天津大学精仪学院副教授.主要从事激光全息技术、激光医学研究. 参 考 文 献: [1]蔡伯荣.激光器件.天津:天津科学技术出版社,1984.147. |
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