信息产业部电子第53研究所

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1前言

电源是光电对抗工作的前提条件，激光电源是激光器的重要组成部分，又与我们目前工作有着密切的联系。因此以激光电源课题研究的体会和大家交流，目的在于相互促进，以便把未来的工作搞得更好。

2激光电源简介

2?1激光电源的原理框图

激光电源的原理框图如图1所示。

2?2激光电源的主要技术指标

（1）单脉冲能量25J；

（2）脉冲重复频率1、5、10、20、40Hz；

（3）最大输出功率1000W；

（4）放电脉宽200μs；

（5）放电重复频率稳定度>99％；

（6）激光输出能量稳定度>95％；

（7）激光输出延时稳定度±1μs；

（8）输入电源AC220V±10％、50Hz。

2?3激光电源的运行实绩

（1）通过所内运行测试考核；

（2）配套参加××产品国家靶场实验；（3）参加所内多项课题实验，无故障运行近三年。

图1激光电源原理框图

3研制体会

3?1认真研究分析技术指标作好方案设计

（1）在方案准备阶段吃透每个技术指标要求

比如电容器的充电。对于脉冲工作的激光器，一般采用电容器放电激励的方式。技术指标要求单脉冲能量25J，即要求电容器储能25J。而电容器储能是通过给某一电容量的电容器充上相应的电压来实现的。在这里电容器的电容量多大，充电电压多高和采用什么方式充电是必须解决的问题。

（2）吃透各个技术指标之间的关系

比如电容器的电容量与放电脉宽200μs的技术指标有关。电容器的充电电压与电容器的额定电压、高频变压器绕组的电压以及高频整流器件的电压等参数有关；而电容器的充电方式与主电路的方式密切相关。因此，在满足单个技术指标的同时必须考虑对其它技术指标的影响。

再比如技术指标要求脉冲重复频率最高40Hz，即要求在25ms内完成电容器的充放电。如果确定放电时间为5ms，那么充电储能25J必须在20ms内完成。由此可以确定充电电流、高频变压器绕组的电流以及高频整流器件的电流等参数。

（3）准备几套方案进行比较择优

3?2理论联系实际不断扩展知识面

扎实的基础知识只是作好研制工作的前提之一，而要想把研制工作做好，理论必须联系实际。因为基础知识多是抽象化和理想化的，应用在复杂的现实情况中往往会出问题。

比如软起动。对含有整流、滤波的电路，由于滤波大电容的存在，合闸时将产生幅值很高的冲击电流。这种冲击电流危害极大：一是冲击电流将会对接在同一电源上的其它负载产生干扰；二是电路的保护将会由于冲击电流而动作，例如熔断器的熔断或交流断路器跳闸。为此，应该增加软起动电路。软起动电路的实质是：在电源和滤波的大电容之间串入电阻，以降低合闸时产生的冲击电流幅值。起动完成后，将该电阻短接掉，使电路进入正常运行。

又比如高频变压器。变压器的主要功能有两种：一是通过两个绕组间磁的耦合传递电能，实现了电路的隔离；二是通过两个绕组的匝数比来改变电压及电流。在一般变压器的简单分析中，往往将变压器视为理想的状况，即忽略绕组和铁心的损耗、两个绕组为完全耦合，其结果误差不会太大。然而对激光电源的高频变压器采取上述处理，将会导致严重的后果。这是因为激光电源的逆变器开关采用电感和电容谐振的方式。谐振电感值只有20μH，而被忽略的高频变压器的实际漏感值竟高达50μH，因此原设计的谐振周期加大到近2倍。这样一来，使原设计的在电流过零时的逆变开关关断变成了几乎在电流最大时的逆变开关关断，造成逆变开关损耗急剧增加，后果是逆变开关的烧毁。

一般的科研课题往往不会局限于单一专业或几个专业。因此要想搞好科研课题，就必须不断扩展知识面，提高科研人员的开发能力。

比如氙灯触发就属于高电压专业。氙灯可靠触发受以下多种因素的影响：氙灯中气体的状态、触发电压的幅值、触发电压的前沿、触发电压的脉宽、触发电压的极性、氙灯电极的材料以及氙灯周围状态等。我们在开始氙灯触发试验时，由于不了解氙灯触发的特性，虽采取了多种措施，将触发电压提高到2万多伏，也不能将氙灯可靠地触发。在逐渐扩展高电压专业的知识面后，只有1万多伏触发电压就能将氙灯可靠地触发。

又比如高频变压器的设计。以前搞过工频变压器的设计，而高频变压器与工频变压器相比有很多不同之处。主要表现为高频变压器的性能与高频逆变开关能否正常工作有关、高频变压器的磁心材料在高频条件下要有较小的功率损耗、防止高频变压器的磁通瞬态饱和、绕组的计算和绕制工艺、导线的集肤效应以及寄生参数的考虑等等。只有充分掌握高频变压器的有关知识，才能设计好高频变压器以致整个开关电源。

3?3应用高新技术提升研制水平

要提升课题的研制水平或科技含量，一定要应用与课题密切相关的高新技术，否则将失去课题的先进性和竞争能力。为此本课题应用了与课题密切相关的如下高新技术：

（1）IGBT电力电子器件

IGBT是目前发展最快的一种混合型电力电子器件。其特点是控制功率低、电流容量大、承受电压高、导通压降低、开关时间短。因此IGBT电力电子器件特别适合应用在中、大功率的开关电源上。IGBT电力电子器件的开关时间直接关系到逆变的频率和电源的体积，而导通压降直接关系到导通损耗和整机效率。所以IGBT电力电子器件是影响激光电源课题水平的关键元器件。

（2）谐振开关技术

谐振开关技术是目前开关电源中发展最快的一种技术。由于谐振高频逆变电流近似正弦波，逆变开关导通和关断均在电流过零时刻。因此逆变开关导通和关断时的损耗大大降低。同时由于逆变开关导通和关断时的电流变化率小，产生的电磁干扰较小，使激光电源运行的可靠性提高。

（3）新型高频磁性材料

非晶态合金是一种新开发出的高频磁性材料。非晶态合金与铁氧体相比具有如下特点：非晶态合金的饱和磁通密度为铁氧体饱和磁通密度的4倍，这意味着应用非晶态合金制作的高频变压器的磁芯比应用铁氧体制作的高频变压器的磁芯体积小4倍；非晶态合金的居里温度为铁氧体居里温度的3倍，这意味着应用非晶态合金制作的高频变压器的温度稳定性很高；同在20kHz的工作频率时，铁氧体磁芯的功率损耗为钴基非晶态合金磁芯功率损耗的5倍，这意味着应用钴基非晶态合金制作的高频变压器的效率较高；另外非晶态合金的机械强度远比铁氧体的机械强度高。

3?4勇于迎接挑战

任何科研课题都存在一定的技术难度，随着一个个技术难度的解决，科研工作才一步步进展，保有勇于迎接挑战的科研人员才能将课题搞深、搞透、搞好。

开始时，电容器充电电压的采样是采用光耦器件隔离的方法，调试中光耦器件曾经爆裂过，因此这种方法不太可靠。针对电容器充电所采用的高频恒流方式的特点，电容器充电电压的采样也可以采用计数或计时的方法。这两种方法都避开了采用光耦器件的隔离方法，而且充电电压的控制精度比较高。在这台激光电源中电容器充电电压的采样就采用了计时的方法。

再回到高频变压器的设计上来，开始设计的高频变压器，由于初、次级绕组耦合的不好，致使高频变压器的实际漏感值高达50μH。而在激光电源的逆变开关所采用的电感电容谐振方式中，谐振电感值只有20μH。能否将高频变压器的实际漏感值设计为20μH，而取代谐振电感值的20μH。我们分析认为这是可能的，即利用高频变压器的分布参数来代替谐振电感的实体。如此一来，激光电源少了一个大的元件，真是一种大胆的创意。

由于激光电源的主电路工作在高频、高压和大电流状态，是一种强干扰源。如果在设计过程中不注意采用相应的电磁兼容性措施，必然会对弱电等敏感设备造成干扰而使整个设备不能正常工作。基于以前积累的工作经验，在设计过程中采用了如下的多种电磁兼容性措施：

（1）在交流电源进线处设置电源滤波器，以滤除高频干扰对弱电控制电路的影响；

（2）在电源变压器初、次级绕组间设置屏蔽层、在弱电控制电路外加屏蔽罩以及信号线采用屏蔽线，以阻止电磁干扰的耦合；

（3）对IGBT开关的触发控制线采用双绞线，以使磁场干扰信号相互抵消；

（4）在控制电路的直流电源上跨接高频小电容，以旁路高频干扰信号；

（5）在IGBT开关的集电极和发射极之间跨接压敏电阻，以削弱尖峰干扰信号；

（6）在强、弱电电路之间设置光电或电磁隔离，以切断强电对弱电电路的干扰。

激光电源的调试工作从1995年5月29日开始，至1995年9月12日结束。在激光电源的研制过程中，困难一直伴随着我们，这里只举几个例子：

首先，在低功率调试中发现应交替导通的两个逆变开关IGBT的触发信号存在重迭现象，即有互相干扰。如果不消除这种干扰，可能发生主电路直通故障。也是基于以前积累的工作经验，我们从逆变开关IGBT的触发端倒推，一级一级地检测触发信号，直到产生触发信号的TL494集成电路的两个输出端，发现这两个输出端的引线距离很近，且平行布线很远。通过分析表明，这种情况容易产生电容性耦合干扰，干扰的强弱与工作频率及两条引线之间的电容量有关。当我们将其中一条引线切断，用一条拉开很远距离的临时导线代用后，两个逆变开关IGBT的触发信号不再存在重迭现象了。尽管故障的排除时间不长，但对我们的教训是相当深刻的。

其次遇到的困难是氙灯触发。如前所述，氙灯可靠触发受多种因素的影响。开始氙灯触发试验时，只注重触发电压的幅值，将触发电压逐渐提高到近2万伏，也不能将氙灯可靠地触发，而且此时高压脉冲变压器到处放电，于是又对高压脉冲变压器加强绝缘，将触发电压提高到2万多伏，还是不能将氙灯可靠地触发。在经过多次实验后，发现氙灯周围状态对氙灯可靠触发有很大的影响，例如与氙灯并联着的二条支路——储能电容器放电支路和预燃支路，特别是预燃支路的反向隔离阻抗偏低，致使很多触发能量流失而使氙灯不能可靠地触发。当加强了预燃支路的反向隔离阻抗后，只用1万多伏触发电压就能将氙灯可靠地触发了。

再次遇到的困难是在低功率时IGBT电力电子器件就严重发热。开始认为IGBT开关发热是由于触发电平偏低而导致导通压降大的缘故，但在测试和更换触发电路后仍无效果。打算采用降低逆变频率和加大散热片面积的方法，又感觉不是解决问题的根本途径。面对这样的困境，反倒使我们冷静了下来。还是先测量一下电流波形吧。测量波形后，使我们大吃一惊！因为激光电源的开关逆变采用电感和电容谐振的方式，谐振电流的波形应该近似正弦波，而测量的波形变为半个正弦波。怎么会发生电流截断？重新测量谐振电感值和谐振电容值，均正确。而测量被忽略的高频变压器的实际漏感值竟高达50μH，致使原设计的谐振周期加大到近2倍。这样一来，使原设计的在电流过零时的逆变开关关断变成了几乎在电流最大时的逆变开关关断，造成逆变开关损耗急剧增加，后果自然是逆变开关的严重发热。在重新设计高频变压器（使它的实际漏感值降低到几个μH）后，再投入实验，IGBT电力电子器件就不太发热了。

最后遇到的困难是晶压电源。实际上，晶压电源是我们开始就遇到的困难。晶压电源采用单端开关电源，其前级为可调稳压集成电路。开始调试时，晶压电源的参数可以达到，只不过晶压电源噪音大并且可调稳压集成电路发热严重。经过多次努力仍然无多大改善，只好放到最后解决。该晶压电源是按照某单位激光电源的图纸做的。由于其运行状况不好，我们最后才怀疑图纸有误。因为以前我们没有做过单端开关电源，只好从头学起。发现图纸上高频整流为倍压式整流→可能导致高频变压器磁通不能复位→高频变压器磁通进入饱和态→饱和必然导致负载电流过大→电流过大导致可调稳压集成电路发热严重。为了判断我们的分析是否正确，只将倍压式整流中的一个电容器的一个腿剪断，其它条件不变，刚一通电，往日的晶压电源噪音全无，可调稳压集成电路也不发热了。开始我们以为晶压电源坏了，可是晶压指示却奇迹般地稳稳地停在了5000V上了！

3?5不断地研究新问题

科学在进步，技术在发展，任何课题或产品的先进性都只能是暂时的。为此，我们要不断地学习，不断地研究新问题。激光电源就存在很多新问题，需要我们不断地研究。

　　比如激光电源的输入功率因数一般都比较低，这意味着有很多无功功率在无用地传递着，造成交流电源的利用率比较低，是一种很大的浪费。造成激光电源的输入功率因数比较低的原因是：开关电源都采用交流电源直接输入后经过整波滤波的环节，而滤波电容器上的电压在大部分时间内都高于交流电源的电压，整流器件的特性决定了它只有在交流电源电压的瞬时值高于滤波电容器上电压的小部分时间内才导通，这种小部分时间内导通的电流为尖脉冲电流，其中含有大量的谐波成分，而这些谐波成分均为无功分量。因此提高输入功率因数就成为当前需要研究并解决的新问题。

再一个问题是激光电源的电磁干扰。由于激光电源的主电路工作在高频、高压和大电流状态，因此激光电源是一种强干扰源。最近，我们对一台YAG激光电源的电磁干扰进行了检测，其结果证实激光电源的电磁干扰非常严重，特别是激光电源的电场发射值严重超过国军标GJB151A的限值，有的频段超标达千倍以上。如果在设计过程中不注意采取相应的电磁兼容性措施，必然会对弱电等敏感设备造成干扰而使整个系统不能正常工作。因此电磁兼容性问题也是当前需要继续研究并解决的新问题。

另外的问题还有激光输出时间稳定性、激光电源小型化等。

3?6团结协作精神

当今的科研课题越来越复杂，所涉及的专业越来越多。激光电源就是一个较复杂的课题，所涉及的专业包括供电、电器、电源、自动控制、电力电子、高电压、微电子、机械设计以及电磁兼容等多种专业。课题本身就是一个系统工程，它由许多不同专业组成的子系统，通过接口构成整个系统，这不是一个人可以独立完成的，离不开统筹和严密的组织分工，协调和协作。因此科研人员没有团结协作的精神是搞不好课题研究的。这也是我们克服一个又一个困难，有条不紊地提前完成了激光电源课题研究任务的思想保证和组织保证。