高频高压技术在CO_2激光器中的应用研究

【摘要】：电激励CO2激光器的核心工作过程为高压电容器组的反复充放电,对高压电容器组充电的高压充电电源和触发放电开关导通的开关触发系统是两个核心高压子系统。传统的高压充电电源采用工频L-C谐振充电方式,其充电电压随激光器工作频率升高而降低,影响激光输出的稳定性和光束质量,体积和重量庞大,不利于装置的小型化和轻量化;传统的开关触发系统采用单脉冲触发模式,触发系统的效率低、损耗大、发热严重,随工作频率和开关气压的升高击穿概率降低。随着高频高压开关器件、磁性材料和高压绝缘材料的发展,开展高频高压技术的研究,将其应用于高压充电电源和开关触发系统,对提高激光器的可靠性和稳定性、减小激光器的体积和重量以及激光器向高功率高重复频率发展具有重要的工程应用价值,对于提升激光器整体技术水平具有重要意义。本文从高频高压充电电源的特殊性出发,分析指出断续电流模式工作的串联谐振变换器适合充电电源。以市科技局项目“36k V/10k W高频高压充电电源”的参数要求为例,基于理论分析、Pspice软件仿真及工程应用介绍了各部分电路的设计过程、设计思想、关键器件选择;设计一种高压放电检测电路解决100ns高压放电检测问题;提出提高变压器变比以减弱变压器分布电容的影响、提高充电速度的方法;谐振电容1.16u F、谐振电感15u H时将充电电源进行连续充放电试验,15ms的充电时间将0.286u F的电容充电到37k V,峰值输出功率13.05k W,效率0.82;充电电源稳定工作在25Hz的放电频率。充电电源的连续充放电试验证明了:高频高压充电电源适合作为CO2激光器的高压充电电源,为高频高压技术在CO2激光器中的应用奠定了基础;设计方法的可靠性,为更高功率充电电源的研制奠定了技术基础。针对大功率高频高压变压器的磁芯选择和绕组设计没有一致结论的现状,选择两种材料、两种形状共三种磁芯进行变压器的理论设计,通过计算分布参数和功率损耗得出以下结论:铁基纳米晶合金磁芯适合作为大功率高频高压变压器磁芯;C型铁基纳米晶磁芯适合应用在20k W以内充电电源中;环形铁基纳米晶磁芯适合应用在30k W的充电电源中;大功率变压器高压绕组分段不超过4段,通过增加绕组的绝缘距离减小分布电容。制作干式变压器和油浸变压器进行试验研究,试验结果表明:当前工艺条件下,油浸式灌封方法更可靠。为提高开关触发系统的击穿概率和效率、减小开关触发系统的损耗,通过对气体放电理论的研究,基于传统试验数据和高频高压技术提出多脉冲窄脉宽的触发模式和谐振充电式触发模式两种方法,针对以上两种方法研制两台样机用于模拟试验,试验结果为:两种模式的触发系统使开关的击穿概率提高了2.7%;多脉冲式触发系统比传统触发系统的效率提高了0.12,损耗减小了1.512k W;谐振充电式触发系统比多脉冲式触发系统的效率提高了0.6,损耗减小了0.7k W。试验结果证明了两种模式触发系统的可行性。