基于RCC变换的加压式电光调Q电源设计

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【摘要】设计了一种基于rcc自激振荡电路的加压式调Q电源，以快速功率MOS管作为开关器件，通过对高压源的反馈实现稳压。实验证明，1/4波长高压脉冲的上升沿可以在20ns时间内完成，高压幅值可在2kV至6kV之间调节，输出激光的脉冲宽度可到10ns以内，满足各种电光调制的需要。该电源性能优良且工作稳定，在重复频率为5kHz、工作温度范围-55℃～+70℃条件下稳定输出。

【关键词】RCC变换；调Q；高压脉冲；宽温度范围

1.引言

Q开关是一种广泛应用于产生巨脉冲功率激光的运转方式[1]，在固体激光器中，电光Q开关是非常重要的单元器件，利用晶体的一次电光效应制作的电光Q开关具有开关速度快、时间可控等优点。电光调Q利用电光晶体的电光效应实现激光腔的Q值突变，目的是产生高峰值功率、窄脉冲宽度的激光。

电光Q开关驱动电路是一个高压快速放电装置，过去常用真空管、闸流管及可控硅等做为高压放电驱动元件，今年来利用晶体管的雪崩特性或其他方式设计出了更快速的调Q电源，然而有其天生的缺点：电路设计复杂，元器件筛选周期长，成品率低，对于宽温度范围工作的条件下很难做到一致性输出。

2.高压负脉冲设计

2.1 RCC自激振荡电路设计

反激式自激振荡变换器就是通常所指的RCC（Ringing Choke Converter）电路，采用和PWM型变换器相对的一种驱动方式，开关的导通和关断不需要专门的触发电路，完全靠电路内部来完成。在结构上是单极点系统，容易得到快速稳定的响应。直流电压28V输入后，如图1所示，将直流电压由变压器T1的输入线圈和隔离反馈网络形成自激振荡，其中U1为光耦，U1为TL431。变压器T1的输出脉冲交流高压经D4整流和C5滤波储能后形成500V直流高压源，作为高压脉冲的输入源。直流高压的幅值大小可由电位器R13调节。直流高压经限流电阻器R11后，对电容器C9充电，此次快速驱动信号未驱动开关器件Q2，当设定好的快速驱动脉冲信号QDriv打开Q2的瞬间，电容器C9经Q2迅速放电，形成快速下降沿的负高压脉冲。其中，Q2的型号为STP5NB90，经实验测试，负脉冲下降沿时间可达到18ns。

2.2 RCC变压器设计

3.脉冲磁放大电路设计

输入至脉冲磁放大电路的负高压脉冲信号，经过两级磁放大脉冲变压器后，输出高压经过快速整流二极管后输出高压快速正脉冲，如图2所示。

负高压脉冲经过变压器T2后完成一级升压，C10除隔整流分量，将信号进行耦合，与变压器T3的初级线圈形成LC振荡。同时，T3完成二级放大，经D6和D7整流后，防止输出电压反冲，对输出脉冲进行限幅和整形。输出如图所示的高压脉冲，上升沿可到20ns以内，电压随绕制匝数比增加，本电路的匝数比设计为5：25～5：30之间的调整范围。其中，变压器T2和T3的设计采用了不同材料的铁氧体磁芯，充分考虑了温度对磁芯材料的磁导率影响，绕制导线的处理和绕制工艺充分考虑抗饱和因素，实现了在宽温度范围内输出不会有较大变化，满足激光输出Q调制需求。最终输出的高压脉冲幅值可由RCC电路的反馈电路调制，也可由变压器T2和T3的匝数比进行微小调整实现。

本调Q电源在宽温范围内实现了由2kV至6kV的大范围调节，输出波形如图2中示意，正常工作的温度范围达到了-55℃～+70℃，最高工作频率5kHz。在多个激光器上进行实验，输出激光脉冲宽度到5ns～6ns。

4.仿真分析

5.结语

本文设计的宽温范围加压式调Q电源，采用RCC自激振荡电路和脉冲磁放大电路，实现了由2kV至6kV的大范围调节，最高工作频率达到5kHz。其中，脉冲磁放大电路采用不同磁芯材料绕制脉冲变压器，充分考虑了磁性材料对温度条件的敏感性，使得电路对-55℃至+70℃的宽温度范围内均可满足使用要求，提高了加压调Q电源的环境适应性和可靠性。并在多个激光器行进行了实验，输出激光脉冲宽度到5ns至6ns。

参考文献

[1]W.克希耐尔.固体激光工程.科学出版社，2002：410-415.

[2]赵修科.实用电源技术手册磁性元器件分册[M].辽宁科技出版社，2002：120-128.

[3]王连英.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析 修订版[M].电子工业出版社，2011.