HF CO2激光器电源：恒流环路控制

HF CO2激光器电源：恒流环路控制

抽象

二氧化碳激光管在击穿前可承受 20 kV 至 50 kV 的电压，击穿后电压降至 10 kV 至 15 kV，因此一旦气体导通，电源必须作为电流源运行。在数十千伏的共模电压下，回路测量电流为 10 mA 至 100 mA，这使得采样网络处于关键路径上。本文给出了负阻负载下的稳定性条件、分压器方程、四种现场故障情况以及保证回路精度的元件数据。

1. 引言

二氧化碳激光器的供电看似简单：只需在激光管上施加 20 kV 到 50 kV 的电压，然后点燃即可。恒压电源符合这种描述，但它会在第一次启动时就损坏激光管。

在电压达到约 25 kV 时，电子管内部气体发生击穿，此时电子管处于开路状态。气体随后变成强导体，电子管电压降至 10 kV 至 15 kV 的维持电压值。负载阻抗在微秒内从接近无穷大降至几百欧姆。

电压回路会将电压下降误判为误差，并向电子管注入更多电流。在负阻区，更大的电流意味着更低的电子管电压，因此回路会再次加大电流。电流过载最终会损坏电源或电子管。

故障发生后，电源必须作为受控电流源运行，并采用闭环控制将放电电流维持在设定值。本文介绍了回路架构、50 kV 电压下的采样问题、四种现场故障情况以及保证精度的部件数据。

2. 核心机制

2.1 负阻荷载的稳定性条件

二氧化碳管的伏安特性曲线分为三部分：低于击穿电压的截止区、从击穿电压到维持电压的负斜率区以及高于维持电压的平坦发光区。后两部分的稳定工作需要正的总串联电阻：

R_out + r_diff > 0

其中 R_out 为电源的输出阻抗（单位：kΩ），包括镇流器和内部阻抗；r_diff 为电子管的差分电阻（单位：kΩ）。电压源的 R_out 接近于零，因此和为负值，支路不稳定。电流源使 R_out 趋于无穷大，因此和变为正值。

因此，该回路起到主动镇流器的作用。它能在电子管电压变化时将电流保持在设定值，而且不需要会消耗电能的大串联电阻。

2.2 高共模电压下的分频器采样

在高压输出端并联一个分流电阻会使检测电路的电压达到数十千伏，而在返回轨并联一个分流电阻则只会产生数十毫伏的信号。电阻分压器可以避免这两个问题，并将输出电压缩放到ADC的量程范围内：

V_sense = V_out · R_low / (R_up + R_low)

其中，V_sense 为分压器输出（单位：V），V_out 为电子管电压（单位：kV），R_low 为下臂电阻（单位：MΩ），R_up 为上臂电阻（单位：MΩ）。一个 40 MΩ 的上臂电阻和 4 kΩ 的下臂电阻可以将 40 kV 转换为 4 V，12 位 ADC 可以高精度地读取该电压。

分压器的功率计算公式为 P = V_out² / R_total，其中 P 的单位为瓦特 (W)，V_out 的单位为千伏 (kV)，R_total 的单位为兆欧 (MΩ)。在 50 kV 电压下，一个 10 MΩ 的分压器会消耗 250 W 的功率，需要强制风冷；而一个 50 MΩ 的分压器会消耗 50 W 的功率，并且依靠自然对流散热。

2.3 两阶段启动顺序

启动过程分为两个阶段。第一阶段，逆变器以最大增益开环运行，输出电压逐渐攀升至击穿电压。电流环路保持关闭状态，因为检测信号为零，积分器会达到饱和。

在第二阶段，控制器切换到闭环电流模式。它读取 I_ref 和 I_sense 之间的误差，PI 模块设置占空比或频率。积分器从接近正常工作点的预设值开始，因此在切换时电流不会过冲。

2.4 电压系数引起的非线性误差

厚膜电阻在高偏置电压下阻值会发生轻微变化。相对变化如下：

ΔR / R = VCR · V_bias

其中，ΔR/R 为相对电阻变化量（单位：ppm），VCR 为电压系数（单位：ppm/kV），V_bias 为施加电压（单位：kV）。VCR 为 100 ppm/kV 的器件在 50 kV 电压下会发生 5000 ppm 的变化，即 0.5%。如果分压器的两臂变化量不同，则分压比会随输出电压变化，导致读数失真。

图 1 — 电流回路提高输出阻抗，使支路在击穿后保持稳定，而分压比和检测滤波器则设定精度。

3. 工程痛点

痛点一：感应信号的电压高达数十千伏。

放电电流在 10 mA 至 100 mA 之间变化，输出电压在 20 kV 至 50 kV 之间。上臂分流器将传感板和控制芯片置于该电位，一次绝缘故障就会损坏电路板。下臂分流器将芯片接地，仅留下毫伏级的信号，而这些信号会被开关噪声掩盖。

分压器解决了位置问题，并将精度问题转移到了两个电阻上。它们的分压比必须在温度、偏置电压和时间变化的情况下保持不变，否则电流读数会随工作点漂移。

痛点 2：循环在崩溃时改变特性

击穿前，负载表现为开路，环路增益非常高，积分器必须保持禁用状态。击穿后，负载进入负阻区，小信号模型显示负实部。

针对击穿稳态调谐的PI模块在过渡阶段会出现过冲。尖峰电流可达数百毫安，持续一两毫秒，足以损坏电子管。调谐必须涵盖两种状态，并且积分器需要一个预设值。

痛点 3：感知路径中的涟漪闭合了一个不良循环

逆变器的工作频率范围为 20 kHz 至 200 kHz，高压变压器会将部分开关纹波耦合到输出端。然后，未经滤波的检测信号会将该纹波带入 PI 模块，PI 模块将其视为负载变化并调节占空比。

循环反而会放大它原本想要消除的纹波。将滤波器截止频率设置为开关频率的 1/10。较低的截止频率会减慢循环速度，并在每次激光器启动或停止时增加一毫秒的延迟。

痛点 4：电弧噪声和缠绕破坏了循环

TEA 或脉冲管每次放电都会产生强电磁脉冲。该脉冲耦合到检测走线上，并在 ADC 输入端施加数十伏电压，超过其额定值。因此，输入端需要加装钳位二极管和 RC 滤波器，并且检测走线需要屏蔽。

问题的第二部分是电流衰减。当激光器关闭时，I_sense 为零，积分器逐渐达到其工作电压。当激光器重新启动时，积分器需要数百毫秒才能恢复正常，在此期间电流值始终不正确。

4. 设计步骤

策略一：选择比例稳定的分割器部件

将总电阻设置在 10 MΩ 至 50 MΩ 之间，以限制损耗和发热。保持 TCR 不超过 ±50 ppm/°C，VCR 不超过 10 ppm/kV，且线对的容差在 ±0.1% 以内。使用 HVRGHP采样电阻 与匹配的 TCR 配对，因此从冷机到热机，比例保持不变。

上臂由多个串联部件组成，每个部件的电压均保持在 10 kV 以下。下臂承载的电压较低，因此其 TCR 值决定了比例漂移，需要与上臂相同的维护。

策略二：将两个启动阶段分开

先以开环模式运行至击穿电压，然后切换到闭环电流模式。在检测信号上检测击穿，并在切换前预设积分器的值。预设值来自前一次运行的稳态，因此回路从接近该值开始。

策略 3：以固定比例对检测信号进行滤波，滤波频率与开关频率之比为零

在ADC输入端添加一个截止频率为开关频率十分之一的RC低通滤波器。例如，在100 kHz开关频率下，截止频率为10 kHz，这样既可以消除开关纹波，又能让环路跟踪1 ms的负载阶跃。在ADC输入端添加一个100 pF的I类旁路电容，用于滤除高频残余信号。

策略 4：确认两个信号均出现故障

要求检测电流连续5个采样点保持在1 mA以上，同时要求电压检测出现阶跃下降。变压器充电电流也会在检测路径上产生一个短脉冲，该脉冲会触发单条件检查，并将回路切换到错误状态。

策略五：为弧形环境规划感知路径

高压检测走线与开关节点之间保持 30 毫米的距离。分压器的低压侧走线应位于内层，并在其上下两端设置接地层。ADC 前端应采用差分输入，以便消除电弧产生的共模阶跃信号。

策略六：在固件中加入防饱和和软启动功能

将积分器钳位在 0 到 1.2 倍 I_ref 之间。在每个激光周期开始前，根据上一个稳态值预设寄存器。以固定斜率（例如 50 mA/ms）使 I_ref 上升，这样可以为环路提供一个确定的调节窗口，而不是阶跃变化。

使用三个功率等级进行阶跃响应测试，验证整个电路链，并将过冲量与电子管额定值进行比较。 厚膜电阻 每个分度臂都能保持比例稳定，同时电弧噪声会测试夹具的性能。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 10 GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 回路的高压分压电阻和旁路电容

电流回路的精度取决于两个电阻的分压比和一个旁路元件的相位特性。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产这两种元件，并向激光和医疗成像设备 OEM 厂商批量供货。

这里需要考虑的六个参数

• TCR 值在 ±50 ppm/°C 以内。匹配对的电阻比在温度升高 60°C 时变化小于 0.3%，因此从冷启动到机器高温状态，当前读数均保持不变。
• VCR 值在 10 ppm/kV 或以下。在 50 kV 偏置电压下，该值变化不超过 500 ppm，因此 40 mA 的读数在整个输出范围内保持在 0.1% 以内。
• 出厂匹配对。上臂部件的数值和TCR值均匹配，误差在±0.1%以内，因此分频器无需分拣台，也无需现场校准。
• 损耗角正切低于0.1%。 N4700 旁路部分不会给滤波后的检测信号增加相位滞后，因此环路保持其裕量。
• 低电感封装。 HVCT8G 门把手部件使回路保持在 8 nH 以下，从而使电弧边缘远离 ADC 输入。
• 协调部件。 快速恢复二极管 整流器和倍频器级与分压电阻器和旁路元件采用相同的质量体系。

交付和支持

标准部件的交货期为 4 至 8 周，配套的分压器组件的交货期为 6 至 10 周。回路订单可包含测量比率数据、25 °C 和 100 °C 下的 TCR 数据以及其他信息。 交叉参照 与一线品牌相比。

请提供PWM频率、输出电压和电流范围、采样方法以及负载曲线。HVC将在5个工作日内返回分压器仿真结果、元件清单、旁路参数值以及匹配的样品。

6. 常见问题

问题1：为什么恒压电源会损坏电子管？

因为电子管在击穿后会呈现负阻。电流越大，电子管电压越低，因此电压回路会将电压下降误判为误差，并再次增加电流。回路会持续施加电流，直到电流过大。一个25 kV的电子管在击穿时电压会降至10 kV到15 kV，40 mA的设计电流点会在几毫秒内被突破。

Q2：分压电阻应该多大？

总阻值范围为 10 MΩ 至 50 MΩ。在 50 kV 电压下，10 MΩ 分压器功耗为 250 W，需要强制风冷；而 50 MΩ 分压器功耗为 50 W，可利用自然对流散热。将上臂电压分成若干级，每级电压为 5 kV 至 10 kV，这样任何单个部件都不会承受全部输出电压。

Q3：当前回路对传感部件的精度要求是多少？

在温度和偏置电压变化的情况下，电阻比需保持在 0.1% 以内。这要求双臂的温度系数 (TCR) 不超过 ±50 ppm/°C，电压系数 (VCR) 不超过 10 ppm/kV。电阻的容差决定了初始校准值，而匹配的电阻对可以消除大部分容差。

Q4：为什么预设积分器而不是从零开始？

因为循环没有时间爬升。当 I_sense 为零时，积分器会驱动到其工作电压，而从工作电压返回需要数百毫秒。将寄存器预设在接近稳态值的位置，可以将电流保持在第一个周期的几个百分点之内。

Q5：如何阻止回路放大开关纹波？

将检测信号以开关频率的十分之一进行滤波。例如，在 100 kHz 的开关频率下，滤波后的频率为 10 kHz，这样可以消除纹波，并且仍然能够跟踪 1 ms 的负载阶跃。在 ADC 输入端添加一个 100 pF 的旁路电容，用于处理滤波后残留的信号。

Q6：什么测试可以证明循环是稳定的？

在三个功率等级下进行阶跃响应测试，记录过冲值并与电子管额定值进行比较，然后在高温机器上重复测试。添加一个完整的 1 kHz 激光周期，以检查增益衰减钳位是否有效，并观察 ADC 输入是否存在高于其额定值的电弧感应尖峰。

7。 参考

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用电气设备——第1部分：基本安全和基本性能的一般要求日内瓦：IEC，2012。
2. IEC 61000-4-3:2020， 电磁兼容性 (EMC) — 第 4-3 部分：测试和测量技术 — 辐射、射频、电磁场抗扰度测试日内瓦：IEC，2020。
3. IEC 60384-8， 电子设备用固定电容器——第8部分：陶瓷介质固定电容器，1类日内瓦：IEC，2015。
4. IEC 60270， 高压测试技术——局部放电测量日内瓦：IEC，2015。
5. RW 埃里克森和 D.马克西莫维奇， 电力电子学基础，第 3 版。Cham：Springer，2020 年。
6. Mohan, N.、Undeland, TM 和 Robbins, WP， 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版。霍博肯，新泽西州：威利出版社，2003 年。
7. H.中尾、Y.米泽、T.菅原、Y.中岛和F.黑川， 数字控制开关电源故障预测中电解电容器劣化在线评估方法IEEE电力电子学报，第33卷，第3期，第2552-2558页，2018年。https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048
8. 水介质高功率脉冲发生器中电容式电压探头的校准，NBS 特别出版物 628，美国国家标准局 (NIST)，https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication628.pdf。
9. Zinke, O. 和 Seither, H. Widerstände、Kondensatoren、Spulen 和 ihre Werkstoffe, 2. 八月。柏林：施普林格，1982 年。
10. GB/T 6346.1-2024， 电子设备用固定断路器第1部分：总体规范 （电子设备用固定电容器 - 第 1 部分：通用规范）。北京：国家市场监督管理总局，2024。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com