大功率半导体激光器驱动电源的研究

摘要

半导体激光器是一种转换效率高，易于控制的电光转换器件，被广泛应用于工业加工、通信医疗、国防军工等领域。半导体激光器驱动电源担负着驱动、控制和保护半导体激光器的作用，其技术性能的好坏直接影响半导体激光器系统的光源质量、可靠性和使用寿命。传统大功率半导体激光器驱动电源多采用通用型开关电源，这种将负载并联在输出电容两端的结构使负载电流纹波很大程度上依赖于负载电阻，而半导体激光器是通态电阻很小的负载，这使得传统电源不能完全满足半导体激光器对驱动电源提出的低电流纹波的要求。文本将并网逆变器中应用较多的LCL滤波器引入到移相全桥变换器的输出级，用于改善驱动电源的输出电流纹波，同时增强负载适应性。 首先，本文根据驱动电源的指标要求，提出了基于ZVS移相全桥变换器和输出侧采用LCL滤波器的大功率半导体激光器驱动电源的整体设计方案。然后分别研究了ZVS移相全桥变换器的基础理论，研究了其基本工作原理及相关特性分析。随后分析了LCL型移相全桥变换器的数学模型和控制策略，研究了LCL参数设计方法，以及数字控制时驱动电源系统的闭环稳定性判据和电流调节器设计方法。 然后，本文对大功率半导体激光器驱动电源方案进行了仿真研究。通过仿真验证了驱动电源的纹波指标满足要求且具有较好的负载适应性，验证了驱动电源的功率管能够在大负载电流范围内实现ZVS，具有较好的效率。同时验证了驱动电源具有较好的输入特性。 最后，本文研究了大功率半导体激光器驱动电源的硬件设计方案并搭建了9.5kW电源实验平台，进行了相关实验。实验验证了输出电流纹波在现有滤波器和负载条件下基本符合理论设计值，验证了实验平台设计方案的有效性，为后续研究打下基础。

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