零电压开关预燃电源的研究

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。
　　
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，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

VDMOS驱动隔离电路如图2(a)所示，相应的栅源两端的电压Ugs(f＝100 kHz)波形如图2(b)所示。从波形图可见，用快速光耦6N136来提供驱动隔离，用比较器LM311来对驱动信号进行整形，两个三极管采用图腾柱结构进行驱动，使得驱动信号的上升沿和下降沿都很陡，VDMOS在很高开关频率的情况下能快速的导通和关断。




图2　VDMOS驱动隔离电路及其驱动波形

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。
　　
以下状态方程中各参数定义为：i为谐振电流，Cn为各状态等效谐振电容，L为等效谐振电感，Uc为等效谐振电容上电压。
　　
1）t0～t1：如图4（a）所示。在t0时刻，功率开关管T1开通，谐振电流给Cp充电，励磁电流几乎为零。
　　
初始条件为

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　
　　
2)t1～t2：如图4(b)所示。谐振电流的大部分用以产生励磁电流，为负载提供电流I0，直至T1关断为止。
　　
初始条件为 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
　　
3)t2～t3：如图4（c）所示。在t2时刻，T1零电压关断，C01开始充电，同时C02开始放电，直至C01两端为电源电压E，而C02两端电压为0为止。
　　
初始条件为

i（t2）＝i2　Uc（t2）＝Uc2

谐振回路的状态方程为





ir1＋ir2＝i

解以上方程得

　　（5）

（6）

式中　

　　　

　　
4)t3～t4：如图4(d)所示。在t3时刻，与T2并联的二极管D2导通，谐振电流通过D2回零，直至T2导通为止。
　　
初始条件为

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　

2．2 零电压开关串并联准谐振回路参数的选取

通过实验及数学分析可知，预燃时谐振电流imax的大小决定了在零电压开关时电源最大输出功率的大小。imax可近似由下式确定：



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，在给定开关频率和最大输出功率的条件下，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。
　　
通过实验发现，C01、C02的大小对谐振频率没有影响，只影响VDMOS关断瞬间，C01、C02的充放电速度。C01、C02越大，开关管实现零电压开通所对应的最大导通时间越小，电源的最大输出功率越小。

2．3 实现零电压开关的条件

通过调节功率开关管的导通时间和截止时间，可以控制电源的输出功率，但会影响零电压开关的实现。实现零电压开通时，图3中A点的电压波形如图6（a）所示。下面分3种情况进行讨论。
　　
1）导通时间大于T1［图3中A点的波形如图6（b）所示］由(2)式和(4)式可得


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。
　　
3）截止时间大于T2＋T3［图3中A点的波形如图6（d）所示］由(8)式［（E－Uc3）／Z4］sinω4T3＝0可求出T3。


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：叶志生