[发明专利]一种基于耦合电抗器的脉冲强激光泵浦电源电路

说明书

本发明公开了一种基于耦合电抗器的脉冲强激光泵浦电源电路，包括第一充电单元、控制监测单元、n/2个第一储能单元，第一组晶闸管开关、第二组晶闸管开关、第一熔断器、第二熔断器、n/2个第二储能单元，第二充电单元，耦合电抗器Lm、汇流母排、m路调波电感；耦合电抗器Lm包括第一绕组、第二绕组，第一绕组的同名端和第二绕组的异名端均与汇流母排连接，第一绕组的异名端通过第一组晶闸管开关连接至第一熔断器的一端，第二绕组的同名端通过第二组晶闸管开关连接至第二熔断器的一端。本发明利用耦合电抗器在两组晶闸管开关导通动作出现时延差时，耦合电抗器能够使未导通的晶闸管开关两端的电压差钳制保持高压，有助于晶闸管开关快速导通。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术、高电压技术、强激光技术和电力电子技术的交叉复合领域，涉及一种可以采用大功率可控硅晶闸管开关、用于氙灯激励型高能激光器的泵浦电源装置。

背景技术

激光技术在工业生产和科学探测中有着广泛的应用，泵浦源是激光器的重要组成部分。作为固体激光器的泵浦源，氙灯具有发光量大、闪光时间短、光谱性能良好等特点。因此，氙灯常被作为激光设备的光源。如美国国家点火装置就用了数千支脉冲氙灯。

用于大型高功率激光器的强激光技术需要使用大尺寸高压氙灯，其长度往往在1000mm以上，内部气压也很高。脉冲氙灯发光虽然是以脉冲形式进行放电并发光，但其根本上还是遵循的放电气体理论。因此，在其发光过程中需要一个能提供强大功率的脉冲泵浦电源。以电容器为储能单元的大功率脉冲泵浦电源是强激光装置初级能源激励系统的重要组成部分，通过充电电容器在极短时间内放电，脉冲氙灯可以获得连续光源无法得到的极强的瞬时功率，从而给出极强的瞬时光输出。

开关在脉冲泵浦电源中起着特殊重要的作用，它起着连接储能器件与负载的作用。开关技术往往成为决定脉冲泵浦电源输出脉冲波形的最为关键的技术之一，开关的性能也决定了脉冲电源的性能。

对于高功率激光器的泵浦电源系统来说，其工作电流达到了数百kA，转移电荷接近100C，负载功率达到吉瓦以上，要求开关具有很高的可靠性，较长的寿命，以及合理的价格，目前主流的脉冲功率开关器件是气体间隙类开关(包括低气压的真空开关)和固体半导体开关两大类。

气体间隙类开关单体耐高压能力、通流能力、抗负载故障能力都很强，造价也很低廉，但缺点是触发电路复杂、寿命有限、维护工作量较大、长期使用的经济性较差。

固体半导体开关的特性有：高重复频率、脉冲宽度可调、可快速导通关断、长寿命、可靠性高、维护方便。因此，固体半导体开关应用于脉冲功率源的开关器件己经成为一种趋势。但由于目前固体半导体开关器件单体的工作电压、工作电流都很有限，因此必须通过半导体开关器件的串、并联来实现开关的耐高压和大通流能力。大功率可控硅晶闸管就是这类开关的典型代表。但是，采用这种方法的同时必须解决好开关器件的同步控制、电压电流均衡等问题。

以通流能力为例，当脉冲泵浦电源需要输出总峰值电流500kA以上的能量时，当前世界上最大尺寸的6英寸可控硅晶闸管，通流峰值能力也不超过330kA，所以必须由2组或2组以上的可控硅晶闸管开关组件，并联形成能满足500kA通流峰值能力的开关整体。任何实际的开关从断态转为通态总是需要一定时延的，这样，就可能出现这2组开关导通时延不一致引起的先后导通甚至一路导通，另一路导通失败的情况，先导通的开关必然承担更高的电流和更大的通态电流上升率(di/dt)，此时开关很容易损坏，各种保护措施也十分复杂。

根据电路理论原理，可以采取一种模块化的电流叠加方法，实现更大的输出电流，简单举例，即利用2组参数相同、相对独立、输出250kA的脉冲泵浦电源，同时放电，就可以在负载上两两相加实现500kA的峰值电流。但这种情况下，导通时延不一致时，先导通的开关会提升负载上的电位，引起后启动导通的开关阴极阳极两端电位差降低，导通更慢这一新的问题。

发明内容