一种激光器激励电源及其激励方法

摘要

本发明涉及一种激光器激励电源及其激励方法，它包括放电主电路、采样反馈控制电路和弱电单元；放电主电路包括依次电连接的抗干扰滤波电路、功率因数校正单元、功率变换单元和IGBT放电单元；采样反馈控制电路包括中央控制单元、预燃点灯单元和两电流传感器；中央控制单元分别连接功率因数校正单元、功率变换单元、IGBT放电单元、预燃点灯单元和两电流传感器；预燃点灯单元分别连接功率因数校正单元、IGBT放电单元、中央控制单元；二电流传感器采集功率因数校正单元和IGBT放电单元输出电流，输送给中央控制单元，中央控制单元对输送的电流进行判断，并根据判断结果控制功率因数校正单元和IGBT放电单元稳定地输出。本发明提高了输出功率因数和放电稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电源及其使用方法，特别是关于一种激光器激励电源及其激励方法。

背景技术

近二十年来，激光加工技术在先进制造加工领域的地位越来越重要，特别是在医疗领域，提高激光设备的可控性、运行的稳定性、高效率及安全可靠性已经成为激光设备发展的核心。而在激光设备中，电源是其中最关键的技术，电源的性能和指标决定着激光设备的技术水平。但是，现有的激光设备中使用的电源往往存在功耗大、功率因数低、放电不稳定，且输出电压范围窄等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种输出功率因数高，输出电压范围广，并且放电稳定的激光器激励电源及其激励方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种激光器激励电源，其特征在于包括：一放电主电路、一采样反馈控制电路和一弱电单元；所述放电主电路包括依次电连接的一抗干扰滤波电路、一功率因数校正单元、一功率变换单元和一IGBT放电单元；所述采样反馈控制电路包括一中央控制单元、一预燃点灯单元和两电流传感器；其中，所述抗干扰滤波电路和弱电单元的输入端连接外电网的输出端；所述中央控制单元分别连接所述功率因数校正单元、功率变换单元、IGBT放电单元、预燃点灯单元和两电流传感器；所述预燃点灯单元分别连接所述功率因数校正单元、IGBT放电单元、中央控制单元；一所述电流传感器的输入端连接在所述功率因数校正单元和功率变换单元之间，另一所述电流传感的输入端连接所述IGBT放电单元的输出端，二所述电流传感器的输出端均连接所述中央控制单元；所述弱电单元同时给所述功率因数校正单元、功率变换单元、IGBT放电单元、中央控制单元和预燃点灯单元供电；二所述电流传感器采集所述功率因数校正单元和IGBT放电单元输出电流，输送给所述中央控制单元，所述中央控制单元对所述输送的电流进行判断，并根据判断结果控制所述功率因数校正单元和IGBT放电单元稳定地输出。

所述中央控制单元包括一中央处理单元和一逻辑控制单元，所述中央处理单元通过所述逻辑控制单元分别连接所述功率因数校正单元、功率变换单元、IGBT放电单元、预燃点灯单元、各电流传感器和弱电单元。

所述功率因数校正单元包括依次连接的一整流软启动电路、一功率因数校正辅助电路和一功率因数校正无损吸收电路；所述整流软启动电路的输入端连接所述抗干扰滤波电路的输出端；所述功率因数校正单元还包括依次串接的一使能控制电路、一脉宽调制单元、一驱动电路和一保护电路；其中所述保护电路连接在所述功率因数校正辅助电路的输出端和功率因数校正无损吸收电路的输入端之间；所述功率因数校正无损吸收电路的输出端与所述功率变换单元的输入端连接，且所述功率因数校正无损吸收电路与所述功率变换单元的接点连接一所述电流传感器的输入端；该电流传感器的采样电流输入所述逻辑控制单元，所述逻辑控制单元与所述中央处理单元交互信息，所述中央处理单元将一电平指令和一脉宽调制指令分别输送给所述使能控制电路和脉宽调制单元。

所述IGBT放电单元包括一放电回路，一保护电路，一脉宽调制电路、一IGBT驱动电路、一电压处理电路和一频率调制电路；其中，所述保护电路依次连接所述脉宽调制电路、IGBT驱动电路和放电回路；所述脉宽调制电路连接所述电压处理电路和频率调制电路；所述放电回路的正输出端连接所述功率变换单元的输入端和一所述电流传感器的输入端；该电流传感器的采样电流输入所述逻辑控制单元，所述逻辑控制单元与所述中央处理单元交互信息，所述中央处理单元将一电平指令和一脉宽调制指令分别输送给所述使保护电路和脉宽调制电路。

所述IGBT放电单元中的放电回路包括依次连接的一IGBT管、一二极管、一脉冲氙灯、一电阻和一电容；所述放电回路的正输出端为所述IGBT管的漏极和所述电容的正极板之间的接点；所述IGBT无损吸收电路的输入端连接在所述IGBT管的源极和二极管的阳极之间，所述IGBT无损吸收电路的输出端为所述放电回路的负输出端；所述IGBT驱动电路连接所述IGBT管的栅极。

一种使用激光器激励电源的激励方法，其特征在于：它包括以下步骤：1)设置一包括一抗干扰滤波电路、一功率因数校正单元、一功率变换单元、一IGBT放电单元、一弱电单元、一中央控制单元和一预燃点灯单元的电源装置，并将抗干扰滤波电路和弱电单元的输入端连接外电网的输出端；2)抗干扰滤波电路对外电网输入的电流滤波，输送给功率因数校正单元；3)功率因数校正单元将输入的过高电压/电流钳位至一稳定值，输出给功率变换单元；4)功率变换单元将功率因数校正单元校正后的低频直流电转变为高频直流电，输送给IGBT放电单元；5)功率变换单元给IGBT放电单元充电。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明采用了脉宽调制的方式，提高了电源放电的稳定性，并且可以通过增大电功率的输入，获得高电功率输出。2、由于本发明采用了功率因数校正电路，不仅获得了稳定的高电功率输出，还降低了电功率的损耗。3、由于本发明采用了功率变换单元，其是将输出的电功率进一步放大，从而获得了更高电功率输出。4、本发明中的IGBT放电单元中设置了一无损吸收电路，其可以将输出的电功率进一步稳定，从而提高了激励电源放电的稳定性。本发明采用的外电网输入电压和频率范围宽，可以广泛应用于各种激光器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明中功率因数校正单元结构示意图

图3是本发明中IGBT放电单元的结构示意图

图4是本发明中预燃点灯单元的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一抗干扰滤波电路1、一功率因数校正单元2、一功率变换单元3、一IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)放电单元4、一中央控制单元5、一预燃点灯单元6、两电流传感器7和8以及一弱电单元9。其中，抗干扰滤波电路1、功率因数校正单元2、功率变换单元3和IGBT放电单元4依次电连接构成一放电主电路，中央控制单元5、预燃点灯单元6以及两电流传感器7和8构成一采样反馈控制电路。

上述放电主电路中，抗干扰滤波电路1的输入端连接外电网的输出端。功率变换单元3为一逆变电路，其将低频直流电转变为高频直流电，用于给IGBT放电单元4充电。

上述采样反馈控制电路中，中央控制单元5包括一中央处理单元51和一逻辑控制单元52，逻辑控制单元52与中央处理单元51进行信息交互，且中央处理单元51通过逻辑控制单元52分别连接功率因数校正单元2、功率变换单元3、IGBT放电单元4、预燃点灯单元6、电流传感器7和8以及弱电单元9。其中的中央处理单元51可采用单片机，也可采用其它控制设备，逻辑控制单元52采用一可编程逻辑器件，但不限于此。预燃点灯单元6连接功率因数校正单元2、IGBT放电单元4、中央控制单元5。电流传感器7的输入端连接在功率因数校正单元2和功率变换单元3之间，且其输出端连接逻辑控制单元52。电流传感器8的输入端连接IGBT放电单元4的输出端，且其输出端连接逻辑控制单元52。

弱电单元9，采用一弱电板，其输入端连接外电网的输出端，给功率因数校正单元2、功率变换单元3、IGBT放电单元4、中央控制单元5和预燃点灯单元6提供稳定低压电源。

上述实施例中，外电网将90V～264V的交流电输送给抗干扰滤波电路1滤波后，输送给功率因数校正单元2。功率因数校正单元2将输入的过高电压/电流钳位至一稳定值，输出给功率变换单元3进行功率转换后，输送给IGBT放电单元4充电。充电完毕的IGBT放电单元4可以通过其输出端OUT对激光器进行放电。

在上述过程中，电流传感器7采集功率因数校正单元2的输出电流，之后将采样电流输送给逻辑控制单元52，由逻辑控制单元52判断采样电流是否正常。若电流正常，逻辑控制单元52向中央处理单元51发送电流正常信号，然后中央处理单元51通过逻辑控制单元52向功率变换单元3发出一充电开指令。若存在过流现象，逻辑控制单元52将电流过流信号发送给中央处理单元51，中央处理单元51向功率因数校正单元2发送一稳定输出电流的指令。

电流传感器8采集IGBT放电单元4的输出电流，之后将采样电流输送给逻辑控制单元52，由逻辑控制单元52判断采样电流是否正常。若电流正常，逻辑控制单元52向中央处理单元51发送电流正常信号，然后中央处理单元51通过逻辑控制单元52向功率变换单元3发出一包括充电时间等参数的充电指令。若存在过流现象，逻辑控制单元52将电流过流信号发送给中央处理单元51，中央处理单元51向IGBT放电单元4发送一稳定输出电流的指令。

如图2所示，功率因数校正单元2包括依次连接的一整流软启动电路21、一功率因数校正辅助电路22和一功率因数校正无损吸收电路23。整流软启动电路21的输入端连接抗干扰滤波电路1的输出端，将滤波后的交流电整流为直流电。整流软启动电路21还连接弱电单元9，用于给功率因数校正单元2供电。

功率因数校正单元2还包括依次串接的一使能控制电路24、一脉宽调制单元25、一驱动电路26和一保护电路27。其中保护电路27连接在功率因数校正辅助电路22的输出端和功率因数校正无损吸收电路23的输入端之间，保护电路27用于对功率因数校正辅助电路22进行限流保护。功率因数校正辅助电路22和功率因数校正无损吸收电路23的接地端接地线GND，且一滤波的电容C1和一均压电阻R1并联在功率因数校正无损吸收电路23的输出端与地线GND之间，用于稳定输出的电压/电流。功率因数校正无损吸收电路23的输出端与功率变换单元3的输入端连接，且功率因数校正无损吸收电路23与功率变换单元3的接点连接电流传感器7的输入端。电流传感器7的采样电流输入逻辑控制单元52，逻辑控制单元52与中央处理单元51进行信息交互，中央处理单元51将一电平指令和一脉宽调制指令分别输送给使能控制电路24和脉宽调制单元25。

上述实施例中，抗干扰滤波电路1将滤波后的交流电通过整流软启动电路21整流为直流电后，依次通过功率因数校正辅助电路22和功率因数校正无损吸收电路23，再输出给功率变换单元3。

电流传感器7采集功率因数校正单元2输出的电流，输送给逻辑控制单元52，由逻辑控制单元52判断采样电流是否正常。若电流正常，逻辑控制单元52向中央处理单元51发送电流正常信号，然后中央处理单元51通过逻辑控制单元52向功率变换单元3发出一充电开指令。若存在过流现象，逻辑控制单元52将电流过流信号发送给中央处理单元51，中央处理单元51发出一禁止功率因数校正单元2向功率变换单元3输出电流的指令，并允许使能控制单元24产生一高电平输送给脉宽调制单元25，启动脉宽调制单元25；同时中央处理单元51根据电流传感器7采集的电流发送一脉宽指令给脉宽调制单元25，脉宽调制单元25根据脉宽指令对输出的电压和频率进行调制，并将调制好的电压和频率输送给驱动电路26，以驱动功率因数校正无损吸收单元23导通，功率因数校正无损吸收单元23将抗干扰滤波电路1输入的过高电压/电流钳位至一稳定值，输出给功率变换单元3。

如图3所示，IGBT放电单元4包括一放电回路41，一保护电路42，一脉宽调制电路43、一IGBT驱动电路44、一电压处理电路45和一频率调制电路46。放电回路41包括一IGBT无损吸收电路47，及依次串接的一IGBT管48、一二极管D1、一脉冲氙灯L、一电阻R2和一电容C2。其中，IGBT管48的源极连接IGBT无损吸收电路47的输入端和二极管D1的阳极。IGBT管48的漏极连接功率变换单元3的输出端A，输出端A连接电容C2的正极板，且电容C2的正极板作为放电回路41的正输出端。IGBT无损吸收电路47的输出端B作为IGBT放电单元4的负输出端。弱电单元9为脉宽调制电路43提供弱电电源，电压处理电路45连接在弱电单元9和脉宽调制电路43之间，对输入电压进行电压调制。频率调制电路46连接在脉宽调制电路43上，对输入电压进行频率调制。脉宽调制电路43依次串联IGBT驱动电路44和IGBT管48的栅极。电流传感器8的输入端连接正输出端，电流传感器8的采样电流输入逻辑控制单元52，逻辑控制单元52与中央处理单元61进行信息交互，中央处理单元51将一电平指令和一脉宽调制指令分别输送给使保护电路42和脉宽调制电路43。IGBT放电单元4还包括一限流保护电路49，对IGBT管48进行限流保护。

上述实施例中，功率变换单元3将转换后的高频直流电依次通过IGBT管48的漏极、IGBT管48的源极、二极管D1、脉冲氙灯L、电阻R2和电容C2，对放电回路41进行充电。当充电完毕后，电容C2开始放电，电流从电容C2正极板输出，依次通过端点A、IGBT管48的漏极、IGBT管48的源极和IGBT无损吸收电路47，IGBT无损吸收电路47将过高的电流钳位至一稳定值。充电完毕的IGBT放电单元4可以通过其正、负输出端OUT对激光器进行放电。

在此过程中，电流传感器8在放电回路41的正输出端处采集电流，输送给逻辑控制单元52进行判断，若电流正常，逻辑控制单元52将电流正常信号发送给中央处理单元51，然后中央处理单元51发送一预燃开指令给预燃点灯单元6，同时通过逻辑控制单元52发送一充电时间等的充电指令给功率变换单元3，功率变换单元3开始给IGBT放电单元4充电；若存在过流现象，中央处理单元51通过逻辑控制单元52向功率变换单元3发出一禁止充电操作的指令，同时中央处理单元51同时根据电流传感器8采集的电流，命令IGBT放电单元4将其输出的电流再次进行稳定，直至电流传感器8采集的电流正常时，中央处理单元51通过逻辑控制单元52发送一充电开、充电时间的指令给功率变换单元3，功率变换单元3给IGBT放电单元4充电完毕后，IGBT放电单元4可以安全地对激光器进行放电。

如图4所示，预燃点灯单元7包括一预燃主控单元71、一脉宽调制控制器72、一频率设定电路73、一预燃开电路74和一电源电路75。其中，预燃主控单元71采用一预燃主控谐振电路，其输入端连接功率因数校正单元2的输出端和逻辑控制单元52，且预燃主控单元71的输出端连接IGBT放电单元4中的脉冲氙灯L，以控制脉冲氙灯L释放的能量大小。预燃主控单元71与脉宽调制控制器72进行信息交互，脉宽调制控制器72内设置有一基准电压，该基准电压为能够点燃脉冲氙灯L的电压。脉宽调制控制器72分别连接频率设定电路73、预燃开电路74和电源电路75，频率设定电路73将输入的电压和频率进行调制后，输送给脉宽调制控制器72。预燃开电路74的输入端连接中央处理单元51，其将中央处理单元51发出的预燃开指令输送给脉宽调制控制器72；弱电单元9的电压通过电源电路29输入脉宽调制控制器72和预燃开电路74。

上述实施例中，预燃开电路74将中央处理单元51发送的一预燃开指令，依次输送给脉宽调制控制器72和预燃主控单元71。预燃主控单元71采集功率因数校正单元2的输出电压/电流，输送给脉宽调制控制器72。脉宽调制控制器72将其内部的基准电压与预燃主控单元71采集的电压进行比较，当两电压值不相等时，频率设定电路74将预燃主控单元71输出的电压调制至基准电压大小，以点燃脉冲氙灯L。当脉冲氙灯L点燃时，预燃主控单元71通过逻辑控制单元62向中央处理单元61反馈一预燃成功信号；当脉冲氙灯L未点燃时，频率设定电路74继续对预燃主控单元71输出的电压进行调制，直至点燃脉冲氙灯L。

本发明方法包括以下步骤：

1)设置一包括一抗干扰滤波电路1、一功率因数校正单元2、一功率变换单元3、一IGBT放电单元4、一中央控制单元5、一预燃点灯单元6、两电流传感器7和8以及一弱电单元9的电源装置，并将抗干扰滤波电路1和弱电单元9的输入端连接外电网的输出端。

2)抗干扰滤波电路1对外电网输入的电流滤波和整流：外电网将90V～264V的交流电输送给电源抗干扰整流器1滤波后，输送给功率因数校正单元2。

3)功率因数校正单元2将输入的过高电压/电流钳位至一稳定值，输出给功率变换单元3：抗干扰滤波电路1将滤波后的交流电，通过整流软启动电路21整流为直流电后，依次通过功率因数校正辅助电路22、功率因数校正无损吸收电路23，再输出给功率变换单元3。在此过程中，电流传感器7采集功率因数校正单元2输出的电流，输送给逻辑控制单元52，由逻辑控制单元52判断采样电流是否正常。若电流正常，逻辑控制单元52向中央处理单元51发送电流正常信号，然后中央处理单元51通过逻辑控制单元52向功率变换单元3发出一充电开指令。若存在过流现象，逻辑控制单元52将电流过流信号发送给中央处理单元51，中央处理单元51发出一禁止功率因数校正单元2向功率变换单元3输出电流的指令，并允许使能控制单元24产生一高电平输送给脉宽调制单元25，启动脉宽调制单元25；同时中央处理单元51根据电流传感器7采集的电流发送一脉宽指令给脉宽调制单元25，脉宽调制单元25根据脉宽指令对输出的电压和频率进行调制，并将调制好的电压和频率输送给驱动电路26，以驱动功率因数校正无损吸收单元23导通，功率因数校正无损吸收单元23将抗干扰滤波电路1输入的过高电压/电流钳位至一稳定值，输出给功率变换单元3。

4)功率变换单元3将功率因数校正单元2校正后的低频直流电转变为高频直流电，输送给IGBT放电单元4。

5)功率变换单元3给IGBT放电单元4充电：功率变换单元3将转换后的高频直流电依次通过IGBT管48的漏极、IGBT管48的源极、二极管D1、脉冲氙灯L、电阻R2和电容C2，对放电回路41进行充电。当充电完毕后，电容C2开始放电，电流从电容C2正极板输出，依次通过端点A、IGBT管48的漏极、IGBT管48的源极和IGBT无损吸收电路47，IGBT无损吸收电路47将过高的电流钳位至一稳定值。充电完毕的IGBT放电单元4可以通过其正、负输出端OUT对激光器进行放电。在此过程中，电流传感器8在放电回路41的正输出端处采集电流，输送给逻辑控制单元52进行判断，若电流正常，逻辑控制单元52将电流正常信号发送给中央处理单元51，然后中央处理单元51发送一预燃开指令给预燃点灯单元6，同时通过逻辑控制单元52发送一充电时间的充电指令给功率变换单元3，功率变换单元3开始给IGBT放电单元4充电；若存在过流现象，中央处理单元51通过逻辑控制单元52向功率变换单元3发出一禁止充电操作的指令，同时中央处理单元51同时根据电流传感器8采集的电流，命令IGBT放电单元4将其输出的电流再次进行稳定，直至电流传感器8采集的电流正常时，中央处理单元51通过逻辑控制单元52发送一充电开、充电时间的指令给功率变换单元3，功率变换单元3给IGBT放电单元4充电后，IGBT放电单元4可以安全地对激光器进行放电。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。