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设计的PFC高压充电电源系统应用于一台放电抽运准分子激光器中,准分子激光器是一种特殊的紫外和深紫外波段输出的激光器,在工业、科研、医疗领域有特殊的应用[16-17]。其主要的工作过程为:首先高频高压电源对激光器储能电容进行充电,达到设定的电压时电源将会停止充电,同时闸流管导通,储能电容的电压迅速向放电电容转移,最后转移到电极上。当电极二端的电压升高到临界值时,激光谐振腔中的工作气体将会被电极放电击穿,形成准分子激光[18]。
由于准分子激光器通常高压充电时间在10ms量级,放电时间在100ns量级,整个激光器的工作重复频率在几赫兹到几十赫兹,因此工作过程引起的杂波等一直是其电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)方面的难点之一,尤其在医疗应用领域[19]。典型的准分子激光充放电回路如图 4所示, 储能电容C1,放电电容C2,闸流管S1,主回路电感L2和L3。
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在前面分析计算的基础上,设计制作了硬件电路板,搭建实验平台进行实验调试,电路的参量均以前面计算为准,图 5和图 6分别是搭建的整个实验平台图和PFC电路原理图。
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针对高频高压充电电源有无PFC模块与一台重复频率为200Hz准分子激光器联机分别进行实验:第1种情况是有PFC模块后脉冲电源的工作的情况,第2种情况是没有PFC模块后脉冲电源的工作情况,实验中测得两种情况下输入电流的波形图如图 7~图 10所示。
图 7~图 10中,通道1:高压电源输出电压;通道2:脉宽信号;通道4:输入电流。图 9、图 10中,通道3:输入电压。
在脉宽信号处于高电平期间电源工作,在脉宽信号处于低电平期间电源停止工作。在电源工作期间PFC输出电压会有一定的跌落,当电压值跌落到一定值之后,PFC模块开始工作使输出电压恢复到初始电压,始终保证PFC直流输出电压稳定在一定范围内,进一步提高了电源输出稳定性、准分子激光器输出能量的稳定性。
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由图 7和图 8可以看出, 未加PFC的输入电流尖峰脉冲形状,电流波形发生明显畸变,导致电源系统功率因数低下。对图 8中输入电流用MATLAB进行频谱分析,分析结果如图 11所示。x轴为频率、y轴为电流最大值、基波频率为100Hz,可以从电流频谱分析图中明显看出电流高次谐波的含量较高。
总谐波失真率计算公式为:
式中, I1为基波电流有效值,I2, I3, I4分别为2次、3次、4次谐波的电流有效值,高于4次谐波的含量很低, 可忽略不计,故计算出TTHD≈45%。
功率因数计算公式为:
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由图 9和图 10可以看出,有PFC模块的输入电流波形具有良好的正弦形,输入电流很好地跟随输入电压,基本保持和输入电压保持同相位,电流波形无明显畸变,有效提高了电源系统的功率因数。对图 10中输入电流波形用MATLAB进行频谱分析,分析结果如图 12所示。x轴为频率、y轴为电流最大值,基波频率100Hz,从图中可以明显看出,电流的高次谐波含量较低。
总谐波失真率计算公式见(11)式。高于4次谐波的含量很低,可忽略不计,故计算出TTHD≈10%。
功率因数计算公式见(12)式。
由图 12可以看出, 输入电流波形和输入电压波形具有很好的追踪性,电流和电压的相位差θ≈0°,可以计算出PPF≈98%。增加PFC模块后电源系统的电流畸变率显著下降,功率因数显著提高。
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在相同的脉宽时间、输入电压条件下,准分子激光器以重复频率为200Hz运行、储能电容为10.8nF,分别在有、无PFC模块两种情况下,测试储能电容的电压波形、激光器输出能量,实验结果如图 13、图 14和表 1所示。
voltage/kV 13 15 average energy/mJ 9.95 13.69 energy standard deviation /mJ 0.198 0.248 relative standard deviation/% 1.99 1.81 Table 1. Output energy of excimer laser
图 13和图 14中,通道1:储能电容电压; 通道2:脉宽信号。
由图 13和图 14可以明显看出, 在相同脉宽时间和输入电压的条件下,有PFC模块比无PFC模块的条件下储能电容有更高的电压值,实验中测得无PFC模块储能电容电压为13kV,有PFC模块储能电容电压为15kV。这主要是由于PFC模块采用的是boost电路结构,输出电压为380V,而无PFC模块采用的是普通整流和滤波的电路结构输出电压310V左右,造成高压电源逆变模块输入电压不同,进而在相同条件下储能电容所获得电压不同。
激光脉冲输出能量方面:(1)有、无PFC模块两种情况下,测得储能电容电压为13kV和15kV,储能电容由计算公式可得能量分别为912.6mJ和1215mJ,而激光输出能量分别为9.95mJ和13.69mJ,则能量转移效率分别为1.09%和1.13%,说明有PFC模块的情况下,准分子激光的能量转移效率更高;(2)两种情况下激光输出脉冲能量的相对标准差分别为1.99%和1.81%,说明准分子激光器在有PFC模块的条件下输出的激光脉冲能量波动性更低、稳定性更好。
上述实验表明, 脉冲输出准分子激光系统应用充电电源功率因数校正技术能够很好地提高能量转移效率和改善输出脉冲能量的稳定性,有助于提高激光器的性能,满足准分子激光器在科研、医疗等领域的特殊的应用需求。