高壓反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案

對于用于閃光燈泵浦式脈沖固體激光器且配備了外部驅(qū)動型反激式轉(zhuǎn)換器的電容器充電裝置而言，本例可大幅提高其轉(zhuǎn)換效率。在閃光燈泵浦式脈沖固體激光器中，當向蓄能電容器充入高電壓時，所充入的電能由提供給閃光燈的電能而定。
　　反激式轉(zhuǎn)換器拓撲很適合于電容器充電電源的設(shè)計。傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器電路采用電壓反饋按預(yù)定要求輸出電壓，以及采用脈沖寬度調(diào)制對電壓進行調(diào)整，但這樣的電路在出現(xiàn)電容性負載的情況下無法使用，原因如下：在反激式轉(zhuǎn)換器中，電能在開關(guān)裝置接通期間存儲，在關(guān)閉期間傳輸。為了向蓄能電容器充入預(yù)定的電能，需要經(jīng)歷多個存儲和傳輸周期。
　　為了讓存儲的電能達到預(yù)定值，在每個電能傳輸周期中，電容器都會獲得一定的電壓階躍，所獲電壓階躍的量級也會隨著電容器電壓的升高而逐漸降低。在最后一個存儲和傳輸周期內(nèi)，開關(guān)裝置的關(guān)閉期按預(yù)定要求降至最小值，而在此期間負載達到最終需要的電壓。如果通過設(shè)計，試圖讓轉(zhuǎn)換器開關(guān)裝置使用固定的開關(guān)頻率，那么就會降低轉(zhuǎn)換器的運行效率。如果開關(guān)頻率過高，那么在早期充電階段，電能可能無法完全傳輸。這可能會對連接至原邊的電路元件造成損害。此外，由此產(chǎn)生的剩余磁通也可能會導(dǎo)致鐵芯飽和。而如果開關(guān)頻率過低，那么轉(zhuǎn)換器在后期充電的大部分時間內(nèi)都會處在空轉(zhuǎn)狀態(tài)。
　　我們采用了一種基于閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計方法，可確保電能在輸入波形的每個周期內(nèi)都可以被充分傳輸。事實上，該系統(tǒng)還可以實時監(jiān)測儲能電容器電壓的狀態(tài)。在這樣的系統(tǒng)中，每個周期的時長都會縮短，這是為了使接通時間保持固定。也就是說，開關(guān)裝置的關(guān)閉時間會根據(jù)電能傳輸?shù)囊蠖s短。因此，這種設(shè)計方法較為理想，因為它既能確保將充電時間縮到最短，又能實現(xiàn)最佳的變壓器設(shè)計。
　　下圖所示的是用于20Hz調(diào)QNd-YAG激光器且配備了反激式轉(zhuǎn)換器的電容器充電裝置的電路圖。在這個設(shè)計方案中，可按要求在50ms之內(nèi)對30μF的蓄能電容器充入15J的電能，從而確保激光器在20Hz的條件下可正常運行。
　　
　　該電路通過外部驅(qū)動型反激式配置而運行。在MOSFET開關(guān)接通期間電能得以存儲，而在MOSFET開關(guān)關(guān)閉期間，電能則被傳輸至蓄能電容器。在電能每次被傳輸至二級電路時，輸出電容器都會獲得一定的電壓階躍，所獲電壓階躍的量級也會隨著電容器電壓的升高而不斷降低。與此同時，開關(guān)裝置的關(guān)閉時長也會相應(yīng)縮短。隨后，蓄能電容器的電壓會被探測到，從而產(chǎn)生控制電壓VS.該控制電壓被傳輸至減法器U2，從而減掉其中的基準負電壓VREF1.由此，減法器的輸出電壓為VR=VS-VREF1，接著VR將被輸往壓頻轉(zhuǎn)換器U1；這樣一來，利用電容器電壓就可以線性地改變轉(zhuǎn)換器的工作頻率。
　　如果儲能電容器最初未充電，輸出電壓則為0，在這種情況下VS=VS（min）=0V.根據(jù)U2的輸出可得到少量的正電壓（VR（min）或-VREF1）。該電壓決定了壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的初始期。壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的電壓傳輸至單穩(wěn)多諧振蕩器U5，使開關(guān)裝置的接通時間達到固定值。隨著儲能電容器的電壓逐漸升高，傳至壓頻轉(zhuǎn)換器的控制電壓也隨之增加，這就縮短了開關(guān)裝置的關(guān)閉時間。電壓環(huán)路將VC（輸出電壓的一部分）與基準電壓VREF2進行比較，從而為單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生復(fù)位脈沖，以獲得預(yù)期的輸出電壓。
　　該充電裝置還可以冷卻轉(zhuǎn)換器，防止閃光燈因余光發(fā)熱。為冷卻閃光燈，必須在閃光燈發(fā)光指令下發(fā)瞬間的幾毫秒內(nèi)去使能儲能電容器的充電功能。在此期間通過延遲啟動U5就可以實現(xiàn)這一點。而利用發(fā)光指令脈沖觸發(fā)第二個單穩(wěn)態(tài)U7即可延遲U5的啟動。如果出現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOC）輸出即表明充電已經(jīng)完成。
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