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輸出電壓自適應的混合模式激光電源

我國激光產業目前正處于快速興起和飛速發展階段,激光科技廣泛應用于高端制造、信息通訊、生物和醫療健康等產業及軍事工業、國防安全等領域,是當今世界戰略高科技競爭的重要領域之一。近年來,世界主要發達國家紛紛將發展激光技術作為本國優先布局的領域,給予大力支持。
激光加工的突出優點是加工精度高,不影響材料的物理特性,有助于提高加工質量 ;加工速度快,勞動生產率高 ;無污染、原材料消耗低。在這些領域中,激光技術具有無可比擬
的先進性。半導體激光器和光纖激光器等先進激光器,不僅具備早期激光器的優勢,還克服了早期激光器效率低、體積大等缺點,在光束質量、易于集成、維護成本、使用壽命等方
面也具有明顯優勢,如今對于高功率半導體激光器的要求也在日益提高,在如何實現高功率、高亮度的同時,保證或甚至提高可靠性已經成為當前發展高功率半導體激光器的關鍵問題之一。
隨著激光產業的發展,對于半導體激光設備所需的重要部件之一需求量越來越大,提出的要求也越來越高。本文的研究內容設計了一臺輸出電流 100A,功率 2200W,電壓小于 45V 的激光電源,本電源前級供電電路采用 LLC 半橋諧振開關電源,后級采用線性恒流源,在兼顧開關電源效率和線性電源高精度輸出的同時,還實現了激光巴條電壓自適應功能,即在恒流輸出時根據半導體激光巴條所需壓降自動調整開關電源供電電壓,使末級線性恒流輸出功率管保持維持電流輸出所需最低壓降。
 
1 工作在混合模式的 LLC 半橋諧振開關電源
1.1 LLC 電路的特征分析及優點
軟開關變換器的研究不斷深入,人們逐步發現半橋 LLC諧振電路結構簡單,控制相對來說也很方便。電壓應力低,所以其很適合應用于中小功率的場合。
 LLC 基本諧振電路原理圖
采用了一組 PC40 材質的 EE55 磁芯,做成功率變壓器在頻率為 50 ~ 60KHZ 時功率可以達到 2200W 左右,每個橋壁采用 2 個 20A,600V 的 MOS 管并聯使用,采用獨立諧振電感,具有高效率,參數穩定,易于設計實現的優點。
 
1.2 LLC 半橋諧振電路的缺陷和在低功率輸出段采用簡單脈寬調制的比較性
 
在中高功率段電路中,LLC 半橋諧振電路具有高能效和優異的 EMI 性能,但是當其工作在低功率段時則較為困難,此時采用簡單的脈寬調制反而比 LLC 電路更容易實現連續調節并且更加穩定。
脈寬調制 (PWM,Pulse Width Modulation) 是控制方脈沖寬度調制,廣泛應用在測量、通信和功率控制與變換的許多領域中。該技術以脈寬調制為理論基礎,對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等且寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。
 
2 混合模式中后級線性電源的分析
目前廣泛采用的恒流源有兩種形式 :一種是開關型恒流源、一種是線性恒流源。但滿足高精度的要求只有線性恒流源。線性恒流源雖然電源效率低,但紋波系數小、穩定性好,精密度高,可以較為容易的滿足本設計。然而開關型恒流源雖然效率高,但紋波系數較大,不適合用于精密測量,很難滿足設計需求。
線性恒流源的工作原理 :如圖 3 所示,運算放大器 OP07工作于同相放大器模式,電壓參考信號從同項輸入端三角輸入,OP07 輸出端通過一個電阻驅動恒流 MOS 管的柵極,柵極對源極并聯一個 10K 電阻,提高 MOS 管柵極抗干擾能力,源極下端用直徑 1.5mm 康銅絲制成毫歐級電流采樣電阻。
 線性恒流源的工作原理圖
3 整機性能分析與金屬材料表面調質
本設計電路中具有兩級驅動保護,并且具有波形參數優良,紋波低的優點,可以有效的延長激光器的使用壽命。可以廣泛適用于各類半導體激光器。
 
4 結論
本文介紹了針對激光電源電流 100A,功率 2200W,電壓小于 45V 的需求,基于 LLC 半橋諧振電路和 PWM 控制的輸出電壓自適應的混合模式激光電源。經過整機調試和金屬材料
實驗,充分表明了本設計具有低噪聲、低紋波、低功耗和延長激光器使用壽命的優良特性。如果用直流驅動,這個電源就工作在直流狀態,如果用脈沖信號驅動,這個電源就可以工作在脈沖或 QCW(準連續)狀態,上升下降沿可以控制在 1ms以內,我們所研制的多功能信號發生器便可以用于本激光電源的工作。
 
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