氦氖激光器在精密計量、準直、導航、全息照相、通信、激光醫學等方面有著極其廣泛的應用。隨著激光技術不斷擴展到國民經濟中的各個領域，激光器使用壽命就愈發顯得重要。在激光器加速壽命試驗中，激光管電流的穩定是數據采集準確性的重要保證。而激光管的電流能否穩定關鍵在于電源的輸出能否穩定。
    參考文獻[1]設計的He-Ne激光器電源結構簡單、元器件少、耐沖擊性高，但其所使用的變壓器仍是工頻變壓器，體積大、不易攜帶，并且易受外界干擾，不適合長時間工作；參考文獻[2]提出的一種新穎的He-Ne激光器電源，采用變壓器進行升壓，通過電阻分壓的方式降低激光管兩端的電壓，電源效率低；參考文獻[3-4]所提出的激光電源電路采用高頻變壓器和倍壓整流電路共同作用產生氣體激光器的擊穿電壓，但是其輸出電壓穩定性及帶載能力都差。
    本文所設計的氦氖激光電源采用兩個半橋逆變器輸入、并聯輸出串聯的方式為激光器提供擊穿電壓，單個逆變器可為激光管提供正常工作的電壓，采用電壓電流的雙環控制策略使得激光管輸出電流穩定。
1 電路設計與工作原理
    高壓直流輝光放電激勵是氦氖激光器的主要激勵方式，為了使激光管進入正常的輝光放電狀態，其兩端的電壓必須達到擊穿電壓。激光管擊穿后，電源還應該能保證放電管正常的工作電壓和電流。對于250 mm氦氖激光管，其擊穿電壓約為5 kV，正常工作電壓約為1 800 V。氦氖激光高壓模塊電源的功率電路和采集反饋回路如圖1所示。

    圖中C10、C11、VT1、VT2和T1構成半橋逆變器1；C12、C13、VT3、VT4和T2構成半橋逆變器2。兩個半橋逆變電路采用輸出串聯[5]的方式提供激光管的擊穿電壓，繼電器K1控制半橋逆變器2的工作。電路開始工作時，控制繼電器K1閉合，此時兩個半橋逆變器同時工作，其輸出經過整流濾波后，再串聯為激光管提供擊穿電壓。當激光管點亮后，控制繼電器K1斷開，半橋逆變器2停止工作，半橋逆變器1的輸出經過二極管支路為激光管提供正常工作的電壓。當電路中的負載發生變化時，采集電路采集的電流信號反饋給控制電路，通過調節PWM的占空比使得激光管工作保持穩定。
2 電壓電流雙環控制策略
    由圖1可知，本文所設計的氦氖激光電源采用了電壓電流雙環控制，電流內環采集的是電感電流，將逆變器、變壓器和整流濾波看成一個DC-DC變換器，因此圖1可以等效為圖2的形式。

    雙環控制分為電流內環和電壓外環控制，其中電流內環調節系統的方框圖如圖3所示。vCP為電壓補償網絡的輸出，GM(s)為PWM傳遞函數，Gid(s)為變換器的傳遞函數，GC(s)為電流補償網絡的傳遞函數，RS為電流采樣網絡的傳遞函數，從而可得電流內環傳遞函數為：
 

    電壓外環控制的調節系統方框圖如圖4所示。

 
    所設計的激光電源參數為：開關頻率fs=100 kHz，逆變器輸入電壓為200 V～310 V，變壓器匝數比1:20。激光管正常工作時，電路輸出為1 800 V。電路輸出電流io=6 mA，電感L1=L2=10 mH，輸出電容為C14=C15=220 μF，采樣電阻RS=10 Ω，電流為6 mA時，負載電阻為300 kΩ，PWM波峰峰值為20 V。根據參考文獻[6]可知，半橋逆變器可以等效成BUCK變換器。電流和電壓的補償網絡均采用單極點-單零點網絡[7]。電壓電流雙環控制系統的波特圖如圖5所示。

    曲線1為電壓電流雙環開環傳遞函數，曲線2為電壓電流雙環閉環傳遞函數。從曲線1可知，雙環控制時，其穿越頻率為4.32 kHz，在這個頻率下，控制系統的相位裕度達到了65°,幅值裕度也大于0，因此雙環閉環系統的穩定性好。在含有電流內環控制的系統中，無論是輸入輸出的波動都會引起電感電流或者功率開關管的變化，通過電流反饋信號使得控制系統調節不會像電壓單環控制型那樣等到電壓變化才起到控制調節作用。在雙環控制系統中，電流控制環的控制對象為一階積分或者近似為一階積分環節，所以電流控制環有很好的穩定性。由于電流控制環的等效功率級電路是電壓控制環的控制對象(這是一個單極點型控制對象)，因此相位裕度大，使系統具有較好的穩定性。
3 電路仿真與驗證
    利用Multisim 10仿真軟件對硬件電路進行仿真，電路采用電壓電流雙環控制的模式，電壓和電流的補償網絡均采用單極點-單零點的方式[7]，其電源電壓輸出波形如圖6所示。

    從圖6(a)中可以看出，電源的輸出電壓波形可以滿足激光管點亮與正常工作的要求，說明硬件電路設計滿足激光管的要求。電源電路的輸出電壓從0 V上升到5 000 V左右只需要40 ms的時間，上升過程相當快。到達5 000 V左右后，維持60 ms的時間，這個過程用來點亮擊穿激光管。然后輸出電壓立即下降到1 800 V左右，達到激光管的正常工作電壓。當激光管正常工作、電源輸出電壓穩定后，如果負載減少一定值，從圖6（b）可以看出電流有波動，但是很快就穩定了,電流穩定后與前一穩態的值相比誤差很小，說明該激光電源能夠實現自動穩流。
4 實驗
    制作了一個原理樣機，開關管使用IRFP460，其耐壓達到500 V，最大電流為20 A；PWM芯片選用SG3525,驅動芯片使用IR2110。對250 mm的氦氖激光管進行實驗，在實驗過程中串聯一個電流表。實驗結果發現，當激光管點亮后延遲了很短時間，電流表的讀數從12 mA跳到6 mA左右，并保持穩定。當增加或者減少負載時，電路中的電流有一個小的波動，但是很快就穩定了，這表明該款電源的確能夠實現自動穩流，說明了理論分析的正確性。
    通過對激光器電源性能要求的分析，設計了一個基于半橋逆變器輸出串聯拓撲結構的氦氖激光器高壓電源，并對電壓單環控制和電壓電流雙環控制兩種控制策略進行了討論和比較，最后得出了電壓電流雙環控制更利于激光器穩定工作的結論。與其他電源相比有結構簡單、控制方式容易、穩定性好的優點，這對于氦氖激光管加速壽命試驗中有重要意義。
參考文獻
[1] 張文超.由CVT和L-C構成的He-Ne激光器電源[J].合肥工業大學學報（自然科學版），1988,11（2）：109-113.
[2] 吳春林.一種新穎實用的激光電源充電電路[J].激光，1998，19（6）：47-49.
[3] 王東明，宋勝利.氦氖激光器電源的研究與設計[J].裝甲指揮技術學院學報，2006,17（1）：102-106.
[4] 董衛民，賀昱曜，胡麗麗.基于SG3525的氦氖激光器高壓電源[J].電力電子技術，2010,44（1）：62-64.
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[6] 張容榮，阮新波.輸入并聯輸出串聯變換器系統的控制策略[J].電工技術學報，2008，23（8）：86-93.
[7] 張衛平.開關變換器的建模與控制[M].北京：中國電力出版社，2006.