小功率气体激光器开关电源的研制.pdf

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1、第34卷湖北师范学院学报(自然科学版)VoL34第3期JournalofHubeiNormalUniversity(NaturalScience)No．3，2014小功率气体激光器开关电源的研制孙修，江超(湖北师范学院物理与电子科学学院，湖北黄石435002)摘要：详细介绍了一款小功率气体激光器开关电源的设计方法，对电源的主电路、控制电路、高频变压器和保护电路的设计方法做了具体的阐述，对设计出的电源进行了理论分析与实验验证。结果表明：该电源性能良好，电源输出电压稳定可调，电源效率高，电源体积小重量轻，有较大的实践应用_空间。关键词：开关电源；SG3524；

2、PWM；变压器中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1009-2714【2014)03．0088．04doi：10．3969／j．issn．1O09—27l4．20l4．03．020近年来，各种各样的激光器已广泛应用于工业、医疗、教育，特别在军工行业应用越来越广，激光器电源作为产生激光能量的泵浦源，是激光器中最重要的部分之一，是决定激光器整体性能的重要指标⋯。如何设计出重量轻、体积小、损耗低、抗干扰性能强、稳定性高、静态误差小、动态响应快和功能齐全的激光器电源一直是激光器电源设计的一个前沿方向。本文针对气体激光器对电源的要求，设计了一款小功率气体激光

3、器开关电源，它能够应用于小型气体激光加工设备中。+1小功率气体激光器开关电源的设计气体激光器在国防、科研、工业、医疗等各个领域都有广泛的应用，其工作电源一般要求具有起辉快、工作稳定等特点。本文根据这些要求设计了一款小功率气体激光器开关电源。电源的基本特点如下：1)输入电压：220V，电流3～5A，单相交流电；2)电源输出电压：5kV，电流lmA，高频交流电；3)工作方式：连续／脉冲工作；4)体积小、重量轻，不用笨重的工频变压器；5)开关电源的频率：f。=100kHz．1．1开关电源主电路的设计与分析!卜1卜!1整流单元2逆变单元3高频高压变压器单元4低压直

4、流电源5触发单元6反馈单元‘图1电源原理框图电源原理框架如图1所示，交流电源经整流单元1整流、滤波后，变成低压直流传送给逆变单元2，逆变单元2由触发单元5控制，它可使低压直流电压逆变成高频方波电压(或正弦波)，然后经高频高压变压器单元3，将电压升高变成高频高压输出。反馈单元6将输出的高压信号反馈到触发单元5作为控制信号。调整触发单元5的预置电压，就可调节输出电压。单元4是提供触发单元5的收稿日期：2014—05—13作者简介：孙修(1990一)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为光电子器件．·88·低压直流电源。触发单元5控制逆变单元2中开关管的截止与

5、导通。另外，触发单元5的控制芯片还有过流、过压和频率调节的功能，当高压电源输出出现过负荷及短路时，触发单元可使逆变单元2停止工作，从而保护了开关管和整个直流电源。R·1T卜求杰lYD12L--．一'1A，．l1斗：、，U主nB．．—一TZ●-一R。：TI卒vD2图2电源的主电路图电源主电路图如图2所示，该电路为典型的半桥式逆变结构，根据开关电源的基本原理】，忽略损耗，其工作原理为：假设整流后的直流输入电压为336V，首先忽略小容量隔直电容，则高频变压器的初级线圈的下端可近似地的看作连接到c和c2的节点。若c，和c2的容量基本相等，则该节点电压近似为整流电压

6、的一半，约为168V．通常的做法是在C，和两端各并接等值放电电阻R和R：来均衡两者的电压。CMOS管和轮流导通半个周期。导通，关断时，输入电压以正极性通过一次绕组的上半部分线圈，电压极性为上端为正，下端为负，高频变压器的初级线圈的同名端的电压为+168V，承受的电压为336V，二次侧电流经过输出整流管VD给输出滤波电容c0和负载供电；同理，导通、关断时，输入电压以负极性通过二次绕组的下半部分线圈，电压极性为上端为负，下端为正，承受的电压也为336V，此时高频变压器初级线圈同名端的电压为一168V，二次侧电流经过输出整流管VD3给输出滤波电容c0和负载供电。

7、半桥式变换器的工作波形如图3所示，根据脉冲开关电路分析方法，可以得到电源输出电压，输出功率P，占空比D以及滤波电感L分别为：=·=(1)；P=去[+擎-~Ui．-U'oUint~n[，警](2)蠡(3)(虿1一n)叼(1一U／．，一2nPo2n／o(4)’It_-__-●_--_-_-_-●__-●_●_●__——0t—tm—一●——一tm--~T2ut●0IAt‘’I—0一_矗、。／／‘0一＼．_、／●·—，一一Ih：．0●一●———一t∞———．t一图3半桥式变换器的工作波形·89·1．2开关电源控制电路的设计控制电路采用脉宽调制方式去控制开关管。脉冲

8、宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或