信息產(chǎn)業(yè)部電子第53研究所

1前言

電源是光電對抗工作的前提條件，激光電源是激光器的重要組成部分，又與我們目前工作有著密切的聯(lián)系。因此以激光電源課題研究的體會和大家交流，目的在于相互促進，以便把未來的工作搞得更好。

2激光電源簡介

2?1激光電源的原理框圖

激光電源的原理框圖如圖1所示。

2?2激光電源的主要技術(shù)指標

（1）單脈沖能量25J；

（2）脈沖重復頻率1、5、10、20、40Hz；

（3）最大輸出功率1000W；

（4）放電脈寬200μs；

（5）放電重復頻率穩(wěn)定度>99％；

（6）激光輸出能量穩(wěn)定度>95％；

（7）激光輸出延時穩(wěn)定度±1μs；

（8）輸入電源AC220V±10％、50Hz。

2?3激光電源的運行實績

（1）通過所內(nèi)運行測試考核；

（2）配套參加××產(chǎn)品國家靶場實驗；（3）參加所內(nèi)多項課題實驗，無故障運行近三年。

圖1激光電源原理框圖

3研制體會

3?1認真研究分析技術(shù)指標作好方案設計

（1）在方案準備階段吃透每個技術(shù)指標要求

比如電容器的充電。對于脈沖工作的激光器，一般采用電容器放電激勵的方式。技術(shù)指標要求單脈沖能量25J，即要求電容器儲能25J。而電容器儲能是通過給某一電容量的電容器充上相應的電壓來實現(xiàn)的。在這里電容器的電容量多大，充電電壓多高和采用什么方式充電是必須解決的問題。

（2）吃透各個技術(shù)指標之間的關(guān)系

比如電容器的電容量與放電脈寬200μs的技術(shù)指標有關(guān)。電容器的充電電壓與電容器的額定電壓、高頻變壓器繞組的電壓以及高頻整流器件的電壓等參數(shù)有關(guān)；而電容器的充電方式與主電路的方式密切相關(guān)。因此，在滿足單個技術(shù)指標的同時必須考慮對其它技術(shù)指標的影響。

再比如技術(shù)指標要求脈沖重復頻率最高40Hz，即要求在25ms內(nèi)完成電容器的充放電。如果確定放電時間為5ms，那么充電儲能25J必須在20ms內(nèi)完成。由此可以確定充電電流、高頻變壓器繞組的電流以及高頻整流器件的電流等參數(shù)。

（3）準備幾套方案進行比較擇優(yōu)

3?2理論聯(lián)系實際不斷擴展知識面

扎實的基礎(chǔ)知識只是作好研制工作的前提之一，而要想把研制工作做好，理論必須聯(lián)系實際。因為基礎(chǔ)知識多是抽象化和理想化的，應用在復雜的現(xiàn)實情況中往往會出問題。

比如軟起動。對含有整流、濾波的電路，由于濾波大電容的存在，合閘時將產(chǎn)生幅值很高的沖擊電流。這種沖擊電流危害極大：一是沖擊電流將會對接在同一電源上的其它負載產(chǎn)生干擾；二是電路的保護將會由于沖擊電流而動作，例如熔斷器的熔斷或交流斷路器跳閘。為此，應該增加軟起動電路。軟起動電路的實質(zhì)是：在電源和濾波的大電容之間串入電阻，以降低合閘時產(chǎn)生的沖擊電流幅值。起動完成后，將該電阻短接掉，使電路進入正常運行。

又比如高頻變壓器。變壓器的主要功能有兩種：一是通過兩個繞組間磁的耦合傳遞電能，實現(xiàn)了電路的隔離；二是通過兩個繞組的匝數(shù)比來改變電壓及電流。在一般變壓器的簡單分析中，往往將變壓器視為理想的狀況，即忽略繞組和鐵心的損耗、兩個繞組為完全耦合，其結(jié)果誤差不會太大。然而對激光電源的高頻變壓器采取上述處理，將會導致嚴重的后果。這是因為激光電源的逆變器開關(guān)采用電感和電容諧振的方式。諧振電感值只有20μH，而被忽略的高頻變壓器的實際漏感值竟高達50μH，因此原設計的諧振周期加大到近2倍。這樣一來，使原設計的在電流過零時的逆變開關(guān)關(guān)斷變成了幾乎在電流最大時的逆變開關(guān)關(guān)斷，造成逆變開關(guān)損耗急劇增加，后果是逆變開關(guān)的燒毀。

一般的科研課題往往不會局限于單一專業(yè)或幾個專業(yè)。因此要想搞好科研課題，就必須不斷擴展知識面，提高科研人員的開發(fā)能力。

比如氙燈觸發(fā)就屬于高電壓專業(yè)。氙燈可靠觸發(fā)受以下多種因素的影響：氙燈中氣體的狀態(tài)、觸發(fā)電壓的幅值、觸發(fā)電壓的前沿、觸發(fā)電壓的脈寬、觸發(fā)電壓的極性、氙燈電極的材料以及氙燈周圍狀態(tài)等。我們在開始氙燈觸發(fā)試驗時，由于不了解氙燈觸發(fā)的特性，雖采取了多種措施，將觸發(fā)電壓提高到2萬多伏，也不能將氙燈可靠地觸發(fā)。在逐漸擴展高電壓專業(yè)的知識面后，只有1萬多伏觸發(fā)電壓就能將氙燈可靠地觸發(fā)。

又比如高頻變壓器的設計。以前搞過工頻變壓器的設計，而高頻變壓器與工頻變壓器相比有很多不同之處。主要表現(xiàn)為高頻變壓器的性能與高頻逆變開關(guān)能否正常工作有關(guān)、高頻變壓器的磁心材料在高頻條件下要有較小的功率損耗、防止高頻變壓器的磁通瞬態(tài)飽和、繞組的計算和繞制工藝、導線的集膚效應以及寄生參數(shù)的考慮等等。只有充分掌握高頻變壓器的有關(guān)知識，才能設計好高頻變壓器以致整個開關(guān)電源。

3?3應用高新技術(shù)提升研制水平

要提升課題的研制水平或科技含量，一定要應用與課題密切相關(guān)的高新技術(shù)，否則將失去課題的先進性和競爭能力。為此本課題應用了與課題密切相關(guān)的如下高新技術(shù)：

（1）IGBT電力電子器件

IGBT是目前發(fā)展最快的一種混合型電力電子器件。其特點是控制功率低、電流容量大、承受電壓高、導通壓降低、開關(guān)時間短。因此IGBT電力電子器件特別適合應用在中、大功率的開關(guān)電源上。IGBT電力電子器件的開關(guān)時間直接關(guān)系到逆變的頻率和電源的體積，而導通壓降直接關(guān)系到導通損耗和整機效率。所以IGBT電力電子器件是影響激光電源課題水平的關(guān)鍵元器件。

（2）諧振開關(guān)技術(shù)

諧振開關(guān)技術(shù)是目前開關(guān)電源中發(fā)展最快的一種技術(shù)。由于諧振高頻逆變電流近似正弦波，逆變開關(guān)導通和關(guān)斷均在電流過零時刻。因此逆變開關(guān)導通和關(guān)斷時的損耗大大降低。同時由于逆變開關(guān)導通和關(guān)斷時的電流變化率小，產(chǎn)生的電磁干擾較小，使激光電源運行的可靠性提高。

（3）新型高頻磁性材料

非晶態(tài)合金是一種新開發(fā)出的高頻磁性材料。非晶態(tài)合金與鐵氧體相比具有如下特點：非晶態(tài)合金的飽和磁通密度為鐵氧體飽和磁通密度的4倍，這意味著應用非晶態(tài)合金制作的高頻變壓器的磁芯比應用鐵氧體制作的高頻變壓器的磁芯體積小4倍；非晶態(tài)合金的居里溫度為鐵氧體居里溫度的3倍，這意味著應用非晶態(tài)合金制作的高頻變壓器的溫度穩(wěn)定性很高；同在20kHz的工作頻率時，鐵氧體磁芯的功率損耗為鈷基非晶態(tài)合金磁芯功率損耗的5倍，這意味著應用鈷基非晶態(tài)合金制作的高頻變壓器的效率較高；另外非晶態(tài)合金的機械強度遠比鐵氧體的機械強度高。

3?4勇于迎接挑戰(zhàn)

任何科研課題都存在一定的技術(shù)難度，隨著一個個技術(shù)難度的解決，科研工作才一步步進展，保有勇于迎接挑戰(zhàn)的科研人員才能將課題搞深、搞透、搞好。

開始時，電容器充電電壓的采樣是采用光耦器件隔離的方法，調(diào)試中光耦器件曾經(jīng)爆裂過，因此這種方法不太可靠。針對電容器充電所采用的高頻恒流方式的特點，電容器充電電壓的采樣也可以采用計數(shù)或計時的方法。這兩種方法都避開了采用光耦器件的隔離方法，而且充電電壓的控制精度比較高。在這臺激光電源中電容器充電電壓的采樣就采用了計時的方法。

再回到高頻變壓器的設計上來，開始設計的高頻變壓器，由于初、次級繞組耦合的不好，致使高頻變壓器的實際漏感值高達50μH。而在激光電源的逆變開關(guān)所采用的電感電容諧振方式中，諧振電感值只有20μH。能否將高頻變壓器的實際漏感值設計為20μH，而取代諧振電感值的20μH。我們分析認為這是可能的，即利用高頻變壓器的分布參數(shù)來代替諧振電感的實體。如此一來，激光電源少了一個大的元件，真是一種大膽的創(chuàng)意。

由于激光電源的主電路工作在高頻、高壓和大電流狀態(tài)，是一種強干擾源。如果在設計過程中不注意采用相應的電磁兼容性措施，必然會對弱電等敏感設備造成干擾而使整個設備不能正常工作?；谝郧胺e累的工作經(jīng)驗，在設計過程中采用了如下的多種電磁兼容性措施：

（1）在交流電源進線處設置電源濾波器，以濾除高頻干擾對弱電控制電路的影響；

（2）在電源變壓器初、次級繞組間設置屏蔽層、在弱電控制電路外加屏蔽罩以及信號線采用屏蔽線，以阻止電磁干擾的耦合；

（3）對IGBT開關(guān)的觸發(fā)控制線采用雙絞線，以使磁場干擾信號相互抵消；

（4）在控制電路的直流電源上跨接高頻小電容，以旁路高頻干擾信號；

（5）在IGBT開關(guān)的集電極和發(fā)射極之間跨接壓敏電阻，以削弱尖峰干擾信號；

（6）在強、弱電電路之間設置光電或電磁隔離，以切斷強電對弱電電路的干擾。

激光電源的調(diào)試工作從1995年5月29日開始，至1995年9月12日結(jié)束。在激光電源的研制過程中，困難一直伴隨著我們，這里只舉幾個例子：

首先，在低功率調(diào)試中發(fā)現(xiàn)應交替導通的兩個逆變開關(guān)IGBT的觸發(fā)信號存在重迭現(xiàn)象，即有互相干擾。如果不消除這種干擾，可能發(fā)生主電路直通故障。也是基于以前積累的工作經(jīng)驗，我們從逆變開關(guān)IGBT的觸發(fā)端倒推，一級一級地檢測觸發(fā)信號，直到產(chǎn)生觸發(fā)信號的TL494集成電路的兩個輸出端，發(fā)現(xiàn)這兩個輸出端的引線距離很近，且平行布線很遠。通過分析表明，這種情況容易產(chǎn)生電容性耦合干擾，干擾的強弱與工作頻率及兩條引線之間的電容量有關(guān)。當我們將其中一條引線切斷，用一條拉開很遠距離的臨時導線代用后，兩個逆變開關(guān)IGBT的觸發(fā)信號不再存在重迭現(xiàn)象了。盡管故障的排除時間不長，但對我們的教訓是相當深刻的。

其次遇到的困難是氙燈觸發(fā)。如前所述，氙燈可靠觸發(fā)受多種因素的影響。開始氙燈觸發(fā)試驗時，只注重觸發(fā)電壓的幅值，將觸發(fā)電壓逐漸提高到近2萬伏，也不能將氙燈可靠地觸發(fā)，而且此時高壓脈沖變壓器到處放電，于是又對高壓脈沖變壓器加強絕緣，將觸發(fā)電壓提高到2萬多伏，還是不能將氙燈可靠地觸發(fā)。在經(jīng)過多次實驗后，發(fā)現(xiàn)氙燈周圍狀態(tài)對氙燈可靠觸發(fā)有很大的影響，例如與氙燈并聯(lián)著的二條支路——儲能電容器放電支路和預燃支路，特別是預燃支路的反向隔離阻抗偏低，致使很多觸發(fā)能量流失而使氙燈不能可靠地觸發(fā)。當加強了預燃支路的反向隔離阻抗后，只用1萬多伏觸發(fā)電壓就能將氙燈可靠地觸發(fā)了。

再次遇到的困難是在低功率時IGBT電力電子器件就嚴重發(fā)熱。開始認為IGBT開關(guān)發(fā)熱是由于觸發(fā)電平偏低而導致導通壓降大的緣故，但在測試和更換觸發(fā)電路后仍無效果。打算采用降低逆變頻率和加大散熱片面積的方法，又感覺不是解決問題的根本途徑。面對這樣的困境，反倒使我們冷靜了下來。還是先測量一下電流波形吧。測量波形后，使我們大吃一驚！因為激光電源的開關(guān)逆變采用電感和電容諧振的方式，諧振電流的波形應該近似正弦波，而測量的波形變?yōu)榘雮€正弦波。怎么會發(fā)生電流截斷？重新測量諧振電感值和諧振電容值，均正確。而測量被忽略的高頻變壓器的實際漏感值竟高達50μH，致使原設計的諧振周期加大到近2倍。這樣一來，使原設計的在電流過零時的逆變開關(guān)關(guān)斷變成了幾乎在電流最大時的逆變開關(guān)關(guān)斷，造成逆變開關(guān)損耗急劇增加，后果自然是逆變開關(guān)的嚴重發(fā)熱。在重新設計高頻變壓器（使它的實際漏感值降低到幾個μH）后，再投入實驗，IGBT電力電子器件就不太發(fā)熱了。

最后遇到的困難是晶壓電源。實際上，晶壓電源是我們開始就遇到的困難。晶壓電源采用單端開關(guān)電源，其前級為可調(diào)穩(wěn)壓集成電路。開始調(diào)試時，晶壓電源的參數(shù)可以達到，只不過晶壓電源噪音大并且可調(diào)穩(wěn)壓集成電路發(fā)熱嚴重。經(jīng)過多次努力仍然無多大改善，只好放到最后解決。該晶壓電源是按照某單位激光電源的圖紙做的。由于其運行狀況不好，我們最后才懷疑圖紙有誤。因為以前我們沒有做過單端開關(guān)電源，只好從頭學起。發(fā)現(xiàn)圖紙上高頻整流為倍壓式整流→可能導致高頻變壓器磁通不能復位→高頻變壓器磁通進入飽和態(tài)→飽和必然導致負載電流過大→電流過大導致可調(diào)穩(wěn)壓集成電路發(fā)熱嚴重。為了判斷我們的分析是否正確，只將倍壓式整流中的一個電容器的一個腿剪斷，其它條件不變，剛一通電，往日的晶壓電源噪音全無，可調(diào)穩(wěn)壓集成電路也不發(fā)熱了。開始我們以為晶壓電源壞了，可是晶壓指示卻奇跡般地穩(wěn)穩(wěn)地停在了5000V上了！

3?5不斷地研究新問題

科學在進步，技術(shù)在發(fā)展，任何課題或產(chǎn)品的先進性都只能是暫時的。為此，我們要不斷地學習，不斷地研究新問題。激光電源就存在很多新問題，需要我們不斷地研究。

　　比如激光電源的輸入功率因數(shù)一般都比較低，這意味著有很多無功功率在無用地傳遞著，造成交流電源的利用率比較低，是一種很大的浪費。造成激光電源的輸入功率因數(shù)比較低的原因是：開關(guān)電源都采用交流電源直接輸入后經(jīng)過整波濾波的環(huán)節(jié)，而濾波電容器上的電壓在大部分時間內(nèi)都高于交流電源的電壓，整流器件的特性決定了它只有在交流電源電壓的瞬時值高于濾波電容器上電壓的小部分時間內(nèi)才導通，這種小部分時間內(nèi)導通的電流為尖脈沖電流，其中含有大量的諧波成分，而這些諧波成分均為無功分量。因此提高輸入功率因數(shù)就成為當前需要研究并解決的新問題。

再一個問題是激光電源的電磁干擾。由于激光電源的主電路工作在高頻、高壓和大電流狀態(tài)，因此激光電源是一種強干擾源。最近，我們對一臺YAG激光電源的電磁干擾進行了檢測，其結(jié)果證實激光電源的電磁干擾非常嚴重，特別是激光電源的電場發(fā)射值嚴重超過國軍標GJB151A的限值，有的頻段超標達千倍以上。如果在設計過程中不注意采取相應的電磁兼容性措施，必然會對弱電等敏感設備造成干擾而使整個系統(tǒng)不能正常工作。因此電磁兼容性問題也是當前需要繼續(xù)研究并解決的新問題。

另外的問題還有激光輸出時間穩(wěn)定性、激光電源小型化等。

3?6團結(jié)協(xié)作精神

當今的科研課題越來越復雜，所涉及的專業(yè)越來越多。激光電源就是一個較復雜的課題，所涉及的專業(yè)包括供電、電器、電源、自動控制、電力電子、高電壓、微電子、機械設計以及電磁兼容等多種專業(yè)。課題本身就是一個系統(tǒng)工程，它由許多不同專業(yè)組成的子系統(tǒng)，通過接口構(gòu)成整個系統(tǒng)，這不是一個人可以獨立完成的，離不開統(tǒng)籌和嚴密的組織分工，協(xié)調(diào)和協(xié)作。因此科研人員沒有團結(jié)協(xié)作的精神是搞不好課題研究的。這也是我們克服一個又一個困難，有條不紊地提前完成了激光電源課題研究任務的思想保證和組織保證。