高功率激光脉冲电源的故障分析与设计方案

摘要

根据驱动闪光灯的要求，基于一种用电容作为高功率脉冲电源（HPPS）储能单位的设计方案被提出来了。特别考虑到一些像电容内部短路，总线故障，灯管突然短路或损坏这样有可能出现的故障，闭合复燃开关在预电离部分。对高功率脉冲电源的故障进行了详细的分析。通过电路仿真展示故障电流或电压波形。根据分析与计算，提出了保护方案与技术。这对于高功率脉冲电源的设计和安全操作很有帮助。初步试验表明高功率脉冲电源的设计是成功的。

Ⅰ引言

高功率脉冲电源（HPPS）是高功率激光的关键器件之一，它提供了闪光灯负载需要的电流和功率。高功率脉冲电源的安全可靠运行是基本需要。在操作过程中高功率脉冲电源是处在高电压和大电流的状态，各种故障和损坏是不可避免的。在实验中我们经历了由一组电容器短路而发生得严重故障，这造成机械爆炸和烧毁。参考文献[1]提到在美国国家点火设施事故中的三大主要电容器故障。在一个电容器的短路的情况下，或一个总线击穿接地，二次事故可能产生的原因是由于瞬时高故障电流引起的电磁机械力强烈冲击沿着电流通过。严重的电磁干扰影响着电容器组有关单元列如负载，控制和数据采集。作为金属电介质，具有自我修复能力的特别的储能电容，它的最大允许反峰电压应低于20%的最大允许充电电压限制，最大允许通过电流低于10倍额定电流。在做高功率脉冲电源的设计之前，有必要考虑到不同的可能出现的故障，保护人员安全和有可能造成的财产损失。因此我们应该采取保护策略和技术将风险降到最低，避免损害的升级。我们已经开发出一种快速熔断保护意外故障并联线路中的电容，并利用功率二极管避免闭合复燃开关在预电离分支，利用压敏电阻防止闪光灯放电时由于电压过高造成的灾难性的爆炸和破碎。

Ⅱ要求

整个的闪光灯组件在不久的将来会由120块电源模块驱动。本文描述了我们制造的一个模块的性能。每个模块包括100组并联电容作为储能部分并驱动10个并联灯泡的串联对。根据主放大器和功率放大器的需求，该高功率脉冲电源从储能电容通过供给电缆提供150KA峰值电流的一个500mu;s脉宽临界阻尼的脉冲波形到闪光灯。闪光灯载荷在主电流脉冲到来之前被一个预电离脉冲/灯检查脉冲预电离。高功率脉冲电源的每一个模块都应该考虑故障模式。高功率脉冲电源的设计应在经济成本和安全方面进行权衡。从对高功率脉冲电源的保障的点上看，以下可能出现的故障都被考虑到了：

一个电容器的内部短路

主要总线故障接地

闪光灯意外短路

闪光灯意外断开

预电离部分的开关重新复燃

具有保护功能的高功率脉冲电源的简化电路原理图如图1所示。详细电路的参数由主放大器和功率放大器的需求以及故障模式确定。在电路故障中的短暂现象会被通过试验模拟和分析观察到。闪光灯负载支路的电流波形如图2所示。

图1 具有保护功能高功率激光器脉冲电源的简化电路原理图

图2 闪光灯负载支路的电流波形图

III 故障瞬态分析

A一个电容器的内部短路

在电容器充电或放电过程中，最常见的故障是100个并联电容器中的一个可能会接触到的意外隔离故障导致损坏的升级。巨大的能量流从剩余的电容器中流出. 联电感器参数的选择是折衷考虑体积，放电效率和保护效果。在本设计中的限流电感为100H，电阻为50m. 正常电容器波形的故障电流和电压如图3所示。最大可能的故障电流达到90kA，这可能会导致在故障支路的元件损坏严重。 同时，在正常支路电容将电压反转了16.5kv，这将降低所有正常的电容器的寿命。在这种情况下，故障电容器被期望尽快从电力系统断开以保护正常的电容器。

图3 正常电容器中的损坏的电容器和电压的电流

图4 主总线的电流和电压波形

B主要总线故障接地

对于能量模块，最严重的故障是主要的总线故障接地，电容器被充电到额定电压，但不对负载放电。所有的电容通过限流电感对地放电，使得在故障电流在总线上可达900kA。主总线的故障电流如图4所示。有一种可能的方法是通过包装和使总线离地来避免这种故障。同时预计在早期电流流出时切断电容放电。

C闪光灯意外短路

在电容向负载电路放电时，闪光灯突然爆炸可能造成等离子体从闪光灯管喷出从而导致短路。最坏的情况是电容器组开始放电时。最大可能的故障在闪光灯负载支路作为三次正常运行电流45KA，如图5所示。在负载支路的组件被认为是忍受这个故障电流。

图5 不同的初始时间 下闪光灯爆炸的故障电流

图6 过压时闪光灯突然断裂

D闪光灯意外断开

闪光灯突然断裂将产生严重的瞬时超压，这将破坏供电电缆和镇流器电感隔离，特别是在灯负载电流达到峰值时。在放电之后时间到t=300时，过压曲线如图6所示。一旦闪光灯打破，主电容开始向中心和电源缆线保护层之间的分布电容充电从而导致高谐振过电压。谐振周期时间等于2pi;LC，L是一个闪光灯支路电感，C的供电电缆的分布电容。

E预电离部分的开关重新复燃

预电离部分提供在主电容器放电前检查闪光灯，再加上帮助点燃闪光灯提高泵的效率和闪光灯的寿命来两个功能。当主触发启动时，如果开关没有被闭合，主储能电容将为预电离部分的电容再充电。这将导致谐振过电压为2倍的充电电压。为了避免这种意外的发生，主要的触发将在预电离脉冲后延迟100～500秒，但延迟时间很难确定。如果延迟时间过短，那么预电离部分开关可能被损坏从而再点燃导致从主储能电容释放高压。相反，如果延迟时间太长，闪光灯管等离子弧会熄灭从而降低预电离脉冲的效益。

IV.故障保护策略

快速熔断保护

为了防止电容器组对击穿事故的严重损害，每一个电容器的100套电容器串联使用一个特制的保险丝和限制电流电感电阻。一旦发生在电容器组中的某一电容器内的内部电击穿，储存在正常电容器的能量将放电，集中到有故障的电容器。当熔断器在同一支路上的作用达到额定值时，熔断器会断开并切断故障电流，保护其它正常电容器。如果主总线接地，每一个串接的电容器都会有一系列的保险丝来切断故障电流保护所有电容器。由于主线的特殊预防措施，可以避免发生这种故障。

确定保险丝尺寸程序如下。保险丝的目的是防止反转电压低于最高充电电压的20%,当总线故障接地的情况发生时，电流在四分之一周期出被切断。石英粉尘用于灭弧，一克石英粉尘可以消耗约1 kJ能量。快速熔断器的工作原理是由一个16.65F充电电压25kV电容电路仿真实验验证，电感100h，抵抗5.2。电流波形如图7所示。图7中的曲线1是没有任何保险丝的电流波形，曲线2是在电路中具有相同参数的保险丝的电流波形。快速熔断器成功地切断了电流，延迟时间为26秒。

图7无保险丝和有保险丝的电流波形

V.总结

大电容储能元件的高功率激光功率模块作为储能元件在高压大电流状态下运行，安全可靠的问题是关键的要求。在故障分析的基础上，实现了保护功能的设计考虑。高功率激光的试验和操作显示,故障保护策略是有效和成功的。

高功率短脉冲Nd：YAG激光器对喷丸的应用的研究与开发

摘要

由于短脉冲Nd:YAG激光器纳秒脉宽、高峰值功率激光具有提高金属零件的力学性能独特的能力，对高功率短脉冲Nd：YAG激光研对喷丸的应用的研究。提出并讨论了激光的设计方案和激光束传输特性。使用一个振荡和八个放大器的具有15纳秒脉冲宽度和1660千瓦的激光系统，最大峰值功率的脉冲能量已达到25J。脉冲对脉冲宽度稳定性的研究，脉冲对脉冲能量稳定性的影响小于2.8%时，激光束的最大发散角为0.03 mrad。低发散角意味着一个激光束的光束强度分布更容易修改和激光束更容易传输。为了评价激光系统对几种金属材料进行处理的性能。激光喷丸的质量和效率采用光学显微镜分析、透射电子显微镜、X射线衍射仪进行分析。研究结果表明，该激光系统的性能非常优越。

关键词：YAG激光器；激光束；峰值功率；激光喷丸

1 引言

由于效率高、易操作，机械零件的激光喷丸是目前被普遍接受的表面处理方法。在一般情况下，几个顺序脉冲宽度为几十纳秒（ns）的短脉冲激光在已有效地用于加强各种金属材料的力学性能。激光系统的两种模式通常用于这些应用，即Q开关Nd：YAG激光系统和钕玻璃激光系统。每个激光系统都有它自己的优点和缺点。钕玻璃激光系统可以达到50焦耳输出脉冲能量，但由于其较差的散热效率的玻璃棒，它仅可以用在低重复频率，因此激光喷丸效率难以保证。Nd：YAG激光系统不能输出脉冲能量大于50J；然而，由于其良好的散热效率，可以在高重复频率工作，适用于均匀的激光喷丸的应用。

激光喷丸涉及复杂的机制，如等离子体，冲击波的传播，和目标金属材料的机械效应。

激光参数和性能对激光喷丸效果有重要影响。例如，脉冲之间的脉冲宽度、稳定性和脉冲能量稳定性对于激光喷丸的均匀性至关重要；在以前的实验中，当激光能量大于3 J，即使激光能量为1 J的误差可能对TiAl合金造成数10MPa压力误差。激光参数不稳定使得表面残余应力分布不均匀。发散角和指向稳定性是重要的加工精度和工作距离。在本文中，我们把注意力集中在高质量的短脉冲Nd：YAG激光系统为强化金属材料的研究与开发。为了获得良好的光束质量，并实现了一个几乎均匀空间光束轮廓的激光泵浦腔，对谐振器和放大器进行了详细设计；并对脉冲能量稳定性进行了优化。激光喷丸金属材料进行激光系统的性能测试。

2 Nd：YAG激光系统的设计

如图1所示，激光系统有三个主要部件，即冷却单元、激光头和电子机柜。冷却装置是用来保持放大器和泵室在约22摄氏度的温度。激光头是用来产生和转移高峰值功率的激光束，其中包含了Nd：YAG振荡器，泵腔，谐振腔，隔离，和放大器。电子机柜包含电源供应器和控制单元。电源供应器是用来为所有需要的激光系统提供电子电源。控制单元包含控制逻辑电路和控制所需的同步信号的可编程延迟发生器，用于操作激光系统。主机由控制单元控制电源和可编程延迟发生器，采用电光调Q模式。通过放大器放大在泵室产生激光束，最后在激光头的端口产生最大脉冲能量为25J、脉冲宽度为15ns的激光束。

2.1 激光头

激光头主要包含一个谐振器、前置放大器、隔离区、放大级，一个分裂的镜子和一个结合镜。为了保证激光的稳定性，所有的机械和光学部件被安装在一个集成平台稳定铸造铝。为了确保长期的机械稳定性和最高环境温度不敏感，温度铸铝平台还采用恒温自动控制方法。当平台温度保持在22°C时，激光系统可以输出稳定的激光束。图2显示了激光头结构图。这是一个操作系统，八级放大器的振荡系统。使用一种模块化的方法，激光是在振动产生的，然后由两预放大级放大。激光束在预放大后得到4J的脉冲能量，然后被分为2个2J激光脉冲能量的激光束。每个2J激光束是由六个放大级放大，把脉冲能量放大为13 J。最后，两个13J激光束用镜组合成一个脉冲能量25 J的激光束。激光谐振腔的组成部分为一个后视镜，有源电光调Q，1/4波片、偏振片，一个直径6毫米的Nd：YAG棒，两个直径9毫米和100毫米长的闪光灯，一个Q开关驱动板，一个百叶窗，和一个前镜。谐振器可以输出最大脉冲频率为10Hz、脉冲宽度为15-20ns的脉冲能量为4mJ的激光束。目前，固体激光谐振腔主要是稳定谐振腔和高斯谐振腔。高斯谐振腔具有很好的聚焦能力，可以将光束聚焦到微米量级。然而，它具有较差的热稳定性。为了获得长期稳定的工作，它需要一定的预热时间，通常是每次工作前，需要8秒的预热时间。相比其他谐振腔结构在较高和较低的重复率的操作，具有较好的半球的谐振腔失调灵敏度和脉冲稳定性。对各种同步控制方式是合适的。因此，选择半球形稳定的谐振器，在本文中开发的激光系统。为了保证机械稳定性，在光学平台上安装了谐振腔。采用石墨棒制的光学平台浮体结构。然后，石墨漂浮结构的光学平台上安装铸铝平台使整体稳定。该结构保证了谐振腔输出较好的一致性和平顶型激光束。

图1 激光系统的体系结构

图2 激光头结构示意图

在高功率激光系统中，反馈光可以引入频率变化、幅度起伏、带宽展宽、噪声增大。反射光还可以破坏激光头中的光学元件。为了消除反射光，可以在第一前置放大级第二预放大级后面分别安装一个直径8毫米隔离器和一个12毫米的隔离器。隔振器具有很强的磁场，这是由两个45°法拉第旋转偏振器和半波板构成。激光束通过45°法拉第旋转器时，激光束的极化可以顺时针旋转45°。反射的激光束也可以顺时针旋转45°，使极化方向角的激光束和激光束的反馈是完全90°之间。因此，反射的激光束可以通过安装在隔振器入口的起偏器堵住。偏光镜减少在每个放大级的反射光。安装在激光头处的锯齿状的隔膜和圆形膜片，有效降低低频调制条纹的强度，并具有均匀的强度和高填充因子得到激光束。经膜片改性后，均匀、高集中性的激光束有利于各放大器的传输。该膜片也有助于降低高阶色散，这是在光学介质中引入的脉冲激光。因此，膜片是有用的，以获得具有短脉冲宽度的激光束。相位共轭镜用于改善激光束质量。相位共轭可降低由光学元件引起的发散角、脉冲宽度和波前畸变。分开激光束和结合激光束的过程分别采用了分光镜和组合镜。为了减少

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