基于SG3525的半桥式激光电源设计

　　波长为9～11 μm的CO2激光器因其效率高、光束质量好、功率范围大(几瓦～几万瓦)、能连续输出又能脉冲输出、运行费用低等众多优点成为气体激光器中最重要的、用途最广的一种激光器。它在材料加工、医疗、科学研究、检测、国防等方面有广泛应用。CO2激光器是一种混合气体激光器。CO2为激光物质，其他气体如He、N2、CO、Xe、H2O、H2、O2等都是辅助气体。它们的作用都是为了增强激光输出[1]。

激光电源是激光装置的重要组成部分，其性能的好坏直接影响整个激光器装置的效率。典型的PWM 变换器式高频开关电源有单端激励、推挽、半桥、全桥4种形式[2]。其中半桥具有结构简单、开关管承受压力小、抗不平衡能力强、不易直通等优点[3]，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低[4]。因此，半桥拓扑是中小功率激光器电源常用的结构。
本文采用SG3525作为控制芯片，设计了使用脉冲变压器隔离驱动IGBT的一种新式激光电源。在此电源中，脉冲变压器工作于差分输入方式。文章详细给出了电源的工作原理、驱动保护电路的设计。实验结果验证了设计的有效性和电源的高可靠性。

1 电源系统
1.1 主电路拓扑及其控制方案
　　主电路如图1所示。L1～L4、C1、C2构成网路滤波电路，R为热敏电阻，限制系统上电和逆变启动瞬间的浪涌电流。Q1、Q2为IGBT，与无感电容C3、C4构成逆变电路，Q1、Q2的导通时序如图2。在T1～T2阶段，Q1导通，电容C3经由Q1、T、Cg放电，同时对C4进行充电。T2～T3阶段，为死区时间，Q1、Q2均截止。在T3～T4阶段，Q2导通，工作原理与T1～T2阶段相同，电流方向相反。T4～T5阶段与T2～T3阶段相同。这样在一个开关周期内在高压包初级端上形成15 kHz的交变方波。经过升压整流后向激光管提供连续电压，通过调节开关管的占空比，可改变高压包次级输出平均电压。Q1、Q2的耐压值应大于2×160 V，电流应大于3×Pout/160。本设计中要求激光器最大输出功率为180 W，假设能量转换效率为20%，则Pout=900 W，所以Q1、Q2电流应为16.875 A。考虑开关管的质量与变压器输入电压的偏差，选取额定电流大于20 A，采用FGA25N120ANTD[5]。

　　为防止两个开关管导通时间不对称引起高压包偏磁和直流磁饱和，在电路中串入隔直电容Cg来自动平衡变压器一次电压侧的直流分量。
图1中，对R1、R2取相同电阻值作为平衡电阻可使C1与C2充电电压相等，同时构成CX的放电电路。RX1、CX1、RX2、CX2构成吸收电路，用来吸收高频尖峰。H为霍尔电流传感器，其输出FK与主回路电流大小成正比例关系，本设计中选用CSK7-10A，额定电流为10 A，额定输出为4 V。FK作为反馈信号连接至CA3140同相端。该传感器不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，且具有较高的测量精度。
本设计中，驱动电路包括驱动与过流诊断处理两部分。
1.2 控制电路
　　控制电路以SG3525+CA3140为核心，采用恒频脉宽调制控制方式，输出功率外部(WT)可调，且外部调节信号变化范围为0～5 V，如图3。

    外部调节信号WT与霍尔电流传感器反馈信号FK分别输入运放CA3140同相与反相端，形成差分输入。经CA3140放大后输出至R11，结果为：

其中RZ1=R6//C13，RZ2=R7//C11。
SG3525的误差放大器构成射极跟随器，这样使得反馈信号比较精确，能精确地控制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。SG3525芯片振荡频率的设定范围为15 kHz～20 kHz，其振荡频率可表示为：

式中：CT、RT分别是与管脚5、管脚6相连的振荡器的电容和电阻，Rd为放电端电阻值，与管脚7相连。CT、RT、Rd分别为图中的C14、R12、R13，取值分别为3 300 pF、10 kΩ、1 kΩ，频率为15.4 kHz。由于管脚5与管脚7之间放电电阻R12的存在，使得两路输出信号之间存在一定的死区时间，从而避免同一桥臂的IGBT出现直通的现象。死区时间由R12与C14共同决定，即：

管脚8接一个电容来实现软启动，该电容由内部5 V基准参考电压的50 μA恒流源充电，使占空比由小到大(50％)变化， 减少了开机时对IGBT的冲击。
通过外部信号调节可将激光器输出调至所需功率，在调节过程中FK与WT构成差分输入，随着WT对脉冲宽度进行调节。当WT不再进行调节时，FK开始调节脉冲宽度。主电路中电流增大时，FK增大，由于WT不变，差分放大器的输出电压减小，使得SG3525输出脉冲的宽度减小；当主电路电流减小时，FK减小，差分放大器输出电压增大，SG3525输出脉冲宽度增大。如此可使激光器得到稳定功率输出。
1.3 驱动及保护电路
　　驱动电路采用脉冲变压器驱动隔离电路。SG3525的输出经过推挽电路后，两路相位相反的脉冲波加至脉冲变压器原边的两端构成差分输入，形成交变驱动，两路隔离的输出分别经二极管整流后驱动IGBT。驱动电路如图4所示，其中，G1、E1和G2、E2分别接Q1栅极、发射极和Q2栅极、发射极。

当同名端脉冲电压为正时，驱动信号G1为高电平，Q1导通，由三极管Q7构成的泄放电路截止；D19、D20截止，G2为低电平，Q2截止，同时Q8导通，可快速泄放Q2栅极电压，加速Q2截止。当同名端脉冲电压为负时，D14、D15截止，G1为低电平，Q1截止，同时Q7导通，可快速泄放Q1栅极电压，加速Q1截止；驱动信号G2为高电平，Q2导通，由三极管Q8构成的泄放电路截止。
R31、R43用于抑制IGBT驱动脉冲的尖峰，R29//C23、R41//C27可以防止驱动脉冲产生振荡。IGBT栅极电压波形如图5中波形2所示。

由图中可看出，由于关断时驱动信号电压为负电压，可使开关管迅速关断，防止开关管误导通，使电源更可靠地工作。
在激光器中采用了过流保护、虚假过流屏蔽、过热保护等。过流保护即在驱动电路中A(G1)、B(E1)点之间加入如图6所示过流保护电路[7]。IGBT正常导通时A点电压为15 V，稳压管DW1(选用C3V0)反向击穿稳压为3.0 V，DW2(选用C6V8)未击穿，此时D点电压低于E点电压，光耦P521不导通，Q9截止，输出信号为低电平。当负载短路等发生过流现象时，由于CE极间电压Uce上升很多，使得D17反向截止，D点电位升高，当D点电位大于DW2反向击穿电压时，DW2将D点电位稳定在6.8 V，此时，光耦P521导通，电容C26通过R35充电，F点电位开始升高。若光耦持续导通时间大于C26充电时间，当C26的充电电压达到击穿稳压管DW3的电压，使三极管Q9饱和导通输出高电平，触发后接R-S触发器锁定过流指示信号，送至SG3525的10脚封锁PWM脉冲信号和实现故障保护动作。若是虚假过流，在Q9饱和导通前光耦截止，不会触发后接R-S触发器，电路自动恢复到正常工作状态。C26充电时间由R35、C26决定。

过热保护通过在IGBT散热片上安装温控开关与过流信号并联接至SG3525的10脚。当过热导致温控开关断开或者发生过流现象时，10脚电平变为高电平从而关闭PWM输出。
上述激光器结构简单，成本较低，驱动可靠，设备在满负荷下能长期稳定运行，已成功用于激光切割技术。实践证明，该电源配合激光管后功率可调，故障率低，能保证激光器长期稳定运行。