En el experimento de salida síncrona de dos fuentes de energía de pulsos, el sistema de control del disparador es la clave para garantizar la síntesis correcta y efectiva de las fuentes. Por un lado, el sistema de control genera una secuencia de trabajo para el funcionamiento normal de las dos fuentes de luz. Al mismo tiempo, a través del diseño de consideraciones de sincronización, controla el interruptor de disparo del láser para generar una señal de disparo, logrando así una cierta. Eficiencia de síntesis de energía. Dado que el MOSFET de potencia tiene las características de unipolaridad, control de voltaje, velocidad de conmutación rápida, alta impedancia de entrada, buena estabilidad térmica, baja potencia de accionamiento requerida y circuito de accionamiento simple, el MOSFET se utiliza para diseñar el sistema de control de disparo externo del disparador láser.
1 Estructura del sistema y principio de funcionamiento
La Figura 1 es el diagrama de bloques estructural del sistema de control síncrono de la fuente de alimentación de impulsos del disparador láser. La fuente única utiliza el láser SpitLight 1200 de la empresa alemana InnoLas. La señal de disparo se divide en varios canales y los interruptores de las unidades de control se encienden. El principio de funcionamiento del sistema de disparo láser es: cargar las unidades de almacenamiento de energía de las dos fuentes de energía de pulso al valor establecido, el sistema de control establece el intervalo de tiempo de disparo de las dos fuentes de acuerdo con la posición del objetivo y envía señales al Sistemas de disparo láser de las dos fuentes de instrucción respectivamente. El sistema de disparo genera una inyección láser en el interruptor principal y controla la desconexión de los dos interruptores principales. La energía eléctrica almacenada en el sistema de energía primaria se alimenta a la carga a través del interruptor.
Los parámetros de diseño del sistema de disparo externo del láser son los siguientes:
(1) Generar una señal de disparo de flash. Amplitud de pulso 5 v ~ 15 v, ancho de pulso
≥100 μs, frecuencia de funcionamiento 50 Hz, carga 50ω
(2) Genera señal de disparo de caja de pulso. ¿Amplitud de pulso 5 v ~ 15 v, ancho de pulso ≥ 100? s, flanco ascendente del pulso ≤ 5 ns, carga 50ω, frecuencia de funcionamiento 50/n (n = 1, 2,…, 50). El retraso entre la señal y la señal intermitente es ajustable;
(3) Se adoptan medidas de protección antiinterferencias, como aislamiento y blindaje, entre el circuito de disparo externo, el láser y la fuente de alimentación de pulso para garantizar que el disparador El sistema funciona con alto voltaje de la fuente de alimentación, funciona normalmente en entornos hostiles con alta corriente y fuerte radiación.
2 Diseño y análisis teóricos
El sistema de disparo externo del láser consta de dos partes: generación de señal de control y disparo de señal de control, que están conectadas a través de fibra óptica multimodo ordinaria (longitud de onda de trabajo es de 820 nm). Entre ellas, las funciones de configurar los parámetros operativos del sistema de control (como frecuencia de operación, tiempos de operación), generar señales de control, aislar y convertir señales de salida (electricidad/óptica) se implementan en la unidad de generación de señales de control, que está ubicada donde se encuentra el operador; ubicada en el lado del láser de la fuente de energía de pulso se encuentra la unidad de activación de señal de control, que completa funciones tales como conversión de señal de entrada (óptica/eléctrica), amplificación, formación rápida de señal de borde ascendente y activación aislada. Salida transmitida a través de fibra óptica.
2.1 Diseño de la unidad de generación de señales de control
La unidad de generación de señales de control se divide en dos partes:
(1) Generador de señales de disparo por impulsos. Se utiliza para generar señales de disparo de pulso para controlar el funcionamiento de dispositivos MOSFET de potencia y transistores de potencia. Tiene la capacidad de ajustar el número de pulso de salida, el ancho y la frecuencia del pulso, y la salida es de nivel TTL. Se utiliza una PC industrial con una tarjeta NI de temporización/conteo PCI-6602 incorporada. El sistema de desarrollo LabVIEW se utiliza para escribir la interfaz hombre-máquina de la computadora, configurar los parámetros de trabajo y programar para generar las señales de control requeridas para el láser. trabajo de activación externa.
Entre ellos, PCI-6602 proporciona 8 canales de temporización/conteo, la frecuencia de fuente de 32 bits es de 80 MHz y el flanco ascendente de la señal de pulso de salida es de aproximadamente 10 ns.
(2) Circuito de aislamiento de fibra óptica. Se utiliza para aislar la señal de disparo de nivel TTL del voltaje de salida del MOSFET de potencia y tiene las características de respuesta rápida y sin distorsión. El equipo de transmisión de fibra óptica es HFBR-1414, el ancho de banda es de 5 MHz y el ancho de pulso es de varios cientos. Requisitos de transmisión para señales de pulso de disparo láser violeta.
2.2 Diseño de la unidad de activación de señal de control
La unidad de generación de señal de control se divide en cuatro partes:
(1) Circuito de conversión fotoeléctrica. El dispositivo receptor de fibra óptica HFBR-2412 se utiliza para convertir la señal óptica transmitida a la unidad de activación de señal de control a través de la fibra óptica multimodo en una señal eléctrica TTL.
(2) Circuito controlador MOSFET de potencia/controlador de transistor de potencia El primero se utiliza para aumentar la señal TTL de bajo nivel a un nivel que puede usarse para controlar el dispositivo MOSFET de potencia, generando así un pulso ascendente. Borde ≤5 ns señal de disparo de caja Pockel láser. Este último se utiliza para generar señales de disparo de flash.
(3) Alimentar dispositivos MOSFET. MOSFET (Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) es un dispositivo controlado por voltaje. Dado que MOSFET tiene un coeficiente de temperatura positivo, puede evitar daños al dispositivo debido al aumento continuo de temperatura. Al mismo tiempo, dado que su resistencia al encendido no tiene un límite superior teórico, la pérdida de energía durante el encendido puede ser muy pequeña. Sus ventajas son: capacidades de encendido y apagado muy rápidas (nivel ns); energía de disparo muy baja; capacidad de trabajar a altas tasas de repetición (MHz); larga vida útil (promedio de 109 veces; ancho de pulso ajustable); (La salida está determinada por la señal de activación de entrada). ——Seleccione el dispositivo MOSFET de potencia de IR Company, IRLML2803. Su voltaje de ruptura de fuente de drenaje VDSS es de 30 V, la ID de corriente CC es de 1,2 A, la corriente de salida máxima bajo pulso es de 7,3 A, el tiempo de retardo de encendido Td(encendido) es de 3,9 ns y el tiempo de apagado Toff es 9 ns.
(4) Pieza de alimentación. Los paquetes de baterías de litio se utilizan para proporcionar energía de bajo voltaje para circuitos de aislamiento de fibra óptica y circuitos de accionamiento MOSFET. Equipado con una placa de protección especial con funciones de protección contra sobrecarga, sobredescarga, sobretensión, subtensión, cortocircuito sobrecorriente y conexión inversa para garantizar aún más el funcionamiento seguro de la parte de control de la batería. Esto elimina efectivamente factores peligrosos como la falla de alto voltaje que puede ocurrir debido a la conexión a tierra de la fuente de alimentación en el circuito de trabajo de alto voltaje de la unidad de disparo, la unidad de generación de señal de control de la etapa frontal y la fuente de alimentación de la etapa trasera.
Como se muestra en la Figura 2, el nivel TTL convertido se forma, es impulsado por un MOSFET de potencia/transistor de potencia, está aislado por un transformador de pulso y se envía al láser. Para garantizar el funcionamiento normal de la unidad de disparo, es necesario agregar un transformador de impulsos de alto voltaje soportado (5 kV) para el aislamiento eléctrico antes de enviarlo al láser.
2.3 Selección de dispositivos MOSFET de potencia y sus circuitos de conducción
La figura 3 es un diagrama de circuito esquemático del principio de funcionamiento de un dispositivo MOSFET de potencia. En la Figura 3 (a), RG y CGS son los principales parámetros que afectan el retardo de encendido del MOSFET; la capacitancia de la compuerta de drenaje CGD es el parámetro principal que causa que el voltaje de la compuerta se altere durante la operación de conmutación. La capacitancia CDS de la fuente de drenaje es el principal parámetro que afecta el tiempo de apagado. Los dispositivos MOSFET tienen dos procesos de conversión: conversión activa y conversión desactivada. La relación entre el voltaje de fuente de drenaje VDS, la corriente de drenaje iD, el voltaje de fuente de puerta VGS y la corriente de puerta iG en función del tiempo t durante el proceso de transición de conmutación se muestra en la FIG. El proceso de conversión de conducción se divide en cuatro etapas, cada etapa es la siguiente:
(1) Etapa T0 ~ T1: la corriente de accionamiento de la puerta iG carga CDS y CGS, lo que hace que el voltaje en CGS aumente desde 0 a MOSFET Umbral de encendido VGS(th).
(2) Etapa T1 ~ T2: el voltaje puerta-fuente VGS continúa aumentando exponencialmente, excediendo el valor de conducción MOSFET VGS(th) y alcanzando Va. Después de que VGS excede VGS(th), la corriente de drenaje comienza a aumentar alcanza la corriente de salida final Io.
Durante este proceso, el MOSFET consume la mayor cantidad de energía debido a la superposición de voltaje y corriente.
(3) etapa t2-t3: a partir de t2, el voltaje drenaje-fuente VDS del MOSFET comienza a disminuir y se produce el efecto de capacitancia Miller desde el drenaje hasta la compuerta, evitando que VGS aumente. y aparece una meseta, drenaje-fuente El voltaje cae a su valor mínimo en t3.
(4) Etapa T3-T4: Durante este período, el voltaje de la fuente de puerta VGS aumenta desde la plataforma hasta el voltaje de conducción final. El aumento del voltaje de la compuerta reduce la resistencia de la fuente de drenaje RDS (encendido) y el MOSFET ingresa al estado encendido después de t4.
El proceso de transición de apagado de los dispositivos MOSFET es opuesto al proceso anterior. Del análisis anterior, se puede ver que los requisitos para el circuito de control de puerta incluyen principalmente:
(1) El borde anterior y posterior de la señal de control deben ser muy pronunciados.
(2) La constante de tiempo del circuito de carga y descarga de la compuerta MOSFET de potencia debe ser pequeña para aumentar la velocidad de conmutación del dispositivo MOSFET de potencia.
(3) La corriente impulsora es la corriente de carga y descarga del condensador de compuerta. La corriente impulsora debe ser grande para acelerar los flancos ascendentes y descendentes de la forma de onda de conmutación.
Selecciona MOSFET IRLML2803 y comprueba su curva característica. Se puede concluir que cuando VDS = 15 V, VGS = 12 V, la carga total de la puerta QG≈3,7 nC, entonces la capacitancia de la puerta C = QG/VGS = 3,7 nC/12V≈0,3 nf = 300 PF.
La velocidad de conmutación del MOSFET está relacionada con la velocidad de carga y descarga de la capacitancia de la puerta MOSFET. La relación entre la capacitancia de la puerta MOSFET, el tiempo de encendido y apagado y la corriente de accionamiento del controlador MOSFET se puede expresar de la siguiente manera:
dT=(dV×C)/I
donde dT es el tiempo de encendido/apagado, dV es el voltaje de la compuerta, c es la capacitancia de la compuerta (a partir del valor de carga de la compuerta) e I es la corriente máxima de excitación (para un valor de voltaje dado).
El tiempo de encendido/apagado del IRLML2803 es 4 ns, por lo que I = qg/dt = 3,7 NC/4 ns ≈ 0,9 A, es decir, la corriente de conducción máxima obtenida de la fórmula anterior es 0,9 a, que debe tenerse en cuenta La resistencia externa utilizada entre el controlador MOSFET y la puerta MOSFET de potencia reducirá la corriente de carga máxima del condensador de la puerta de accionamiento, así que elija un controlador con una corriente de salida máxima superior a 0,9a. El sistema utiliza un controlador no inversor TC4424A con una corriente de salida máxima de 4,5 A, que cumple con los requisitos de salida de señal de borde ascendente rápido a través de experimentos.
3 Resultados y análisis de la prueba
3.1 Prueba de conversión de transmisión de fibra óptica de señal de disparo
El sistema de disparo externo láser adopta tecnología de transceptor y transmisión de fibra óptica. Debido a que está hecho de materiales aislantes, tiene buenas capacidades de aislamiento de alto voltaje y fuertes capacidades antiinterferentes. La sincronización de la transmisión de señales de fibra óptica multicanal también es muy buena y cumple con los requisitos de sincronización y aislamiento de alto voltaje de las señales.
La figura 4 es un diagrama de forma de onda de la señal generada por la unidad de disparo externa del láser. En la Figura 4(a) y la Figura 4(b), el canal 2 muestra la señal de disparo del flash láser con una frecuencia de funcionamiento de 50 Hz (la primera es una secuencia de pulsos con un número de salida de 50 y la segunda es un pulso de salida único). , controlado por La PC en la unidad de generación de señal está programada y aislada mediante un transformador de pulso, conversión eléctrica/óptica y entrada de transmisión de fibra óptica a la unidad de activación, y luego se somete a conversión óptica/eléctrica, amplificación del transistor de potencia y es accionado por un transformador de impulsos de alto voltaje.
En la Figura 4(a) y la Figura 4(b), el canal 1 es la señal de activación de la caja Bocker láser (mostrada de la misma manera que el canal 2), y la frecuencia de funcionamiento es 50 Hz (50/ N, N=1). En la unidad de generación de señal de control, la señal se genera de la misma manera que la señal de disparo del flash, excepto que es procesada por el MOSFET de potencia y el controlador MOSFET de alta velocidad en la unidad de disparo, y finalmente.
En el experimento, el ancho de pulso de la señal del disparador del flash láser y la señal del disparador de la caja de Pockel son ambos de 160 μs, y el último está por detrás del primero en aproximadamente 250 μs. Ambos son ajustables y la salida. La frecuencia de la señal del disparador de la caja Pockel también es ajustable para cumplir con los requisitos del láser.
3.2 El impacto de la operación de disparo externo del láser en la fuente de alimentación
El sistema de interruptor principal con baja fluctuación y alta tasa de repetición de potencia es el núcleo y la dificultad en el desarrollo del control sincrónico de la fuente de alimentación. sistema. Para lograr un funcionamiento con baja fluctuación del sistema de sincronización de suministro de energía por impulsos, primero se analizan las fuentes de fluctuación durante la operación del sistema. El flujo de trabajo del sistema de sincronización es el siguiente: el sistema de disparo externo del láser genera una señal con un flanco ascendente rápido y la envía al láser. El láser genera un pulso láser y lo inyecta en el interruptor láser. forma una línea y descarga el diodo a través del módulo de superposición de inducción para generar un haz de electrones. Durante este proceso, pueden ocurrir las siguientes fluctuaciones:
(1) Fluctuación del circuito del sistema de disparo externo del láser J1. La fluctuación proviene de diferentes retrasos del chip en la línea de transmisión y la línea de conversión y la fluctuación del propio chip, y se mide en menos de 2 ns.
(2) Jitter del láser J2. La fluctuación proviene del proceso de trabajo del láser. Cuando se activa con la señal rápida del borde de ataque (tr≤5 ns), la fluctuación del láser es inferior a 3 ns.
(3) El interruptor láser hace vibrar la banda JBOY3. La fluctuación proviene del proceso físico de descarga de plasma activada por láser y el indicador de diseño es inferior a 5 ns.
La Figura 5 muestra la forma de onda de carga sintetizada por cuatro módulos de superposición de inductancia en la fuente de energía de pulso, la frecuencia de repetición es de 25 Hz y la carga es un diodo plano. La figura muestra la superposición de 25 formas de onda (el canal 1 es la forma de onda de la señal de corriente del diodo, el canal 2 es la forma de onda de la señal de voltaje del diodo). Los experimentos han demostrado que la forma de onda de salida de carga es consistente con el sistema de disparo externo del láser y la fluctuación del interruptor es baja cuando la frecuencia de repetición es de 25 Hz, cumpliendo con los requisitos de diseño.
3.3 Consideraciones antiinterferencias
La unidad de disparo externo del láser es un enlace de control en funcionamiento sincrónico y es la clave para el funcionamiento normal del dispositivo. Los requisitos para el circuito de activación son un borde de ataque de pulso pronunciado, amplitud y ancho de pulso suficientes, buena estabilidad y rendimiento antiinterferente. Sin embargo, los generadores de alto voltaje son propensos a sufrir varios picos transitorios, los llamados "fallos". Cuando su amplitud y energía alcanzan un cierto nivel, puede provocar fácilmente un funcionamiento anormal del sistema. Durante el proceso de depuración de la prueba de operación síncrona anterior, debido a las limitaciones de las condiciones del sitio experimental, la fuente de alimentación de carga primaria de la fuente de alimentación del láser y la fuente de alimentación de pulso eran * * * Cuando la fuente de alimentación estaba funcionando, el disparador. La salida de señal del sistema de disparo externo del láser a la celda Pockels del láser fue relativamente Si el pulso de interferencia pico se genera antes del tiempo establecido, no se puede garantizar el progreso normal de la prueba de operación síncrona. Para eliminar la interferencia causada por la fuente de alimentación, se añaden un filtro de fuente de alimentación y un condensador de alta frecuencia para mejorar el efecto. El siguiente paso es utilizar la misma fuente de alimentación para el láser y su sistema de disparo externo, separando completamente la fuente de alimentación y la fuente de alimentación de pulsos para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de sincronización.
Los resultados experimentales muestran que es efectivo usar MOSFET de potencia y su controlador de alta velocidad, y es factible usar un transceptor de fibra óptica para la transmisión de conversión y el aislamiento del transformador de pulsos de alto voltaje. El rendimiento del circuito de disparo externo del láser afecta la eficiencia de conversión de la salida síncrona del interruptor de potencia de pulso. El estado de encendido y apagado del interruptor MOSFET de potencia se puede controlar mediante el pulso de disparo. Al seleccionar un controlador MOSFET con un circuito de salida de pico alto, el flanco ascendente de la señal del pulso de salida se puede controlar por debajo de 5 ns. Se utiliza un sistema de disparo externo láser y la fuente de alimentación de pulso único se enciende y apaga repetidamente. Los parámetros son: voltaje de funcionamiento 150 kV, corriente 30 kA y fluctuación.
≤5 nanosegundos, frecuencia de repetición 25 Hz. Sienta una cierta base técnica para el desarrollo posterior de una salida síncrona estable, confiable y precisa de dos o más fuentes de alimentación de impulsos.
Además, en la placa de circuito impreso que activa el circuito de control, el circuito de control es susceptible a la interferencia del bucle de alimentación, por lo que la longitud de traza del controlador MOSFET y del MOSFET debe ser lo más corta posible para Limita el efecto de oscilación causado por la inductancia. La inductancia entre la salida del controlador y la puerta MOSFET también afecta la capacidad del controlador MOSFET para mantener baja la puerta MOSFET durante condiciones transitorias. Es necesario estudiar más a fondo problemas como la reducción del frente de onda y la mejora de la capacidad antiinterferente en experimentos de activación láser.
Referencia
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