基于LLC谐振技术的高功率半导体激光器驱动电源研究

摘要

半导体激光器是由激光二极管（LD）串联成阵列构成，具有电-光转换效率高、体积小、重量轻等诸多优点。在激光加工领域，或直接对材料进行加工，或作为泵浦源构成光纤、碟片等固体激光器后再做加工使用。LD模块驱动电源是半导体激光器的重要组成部分，所以对其研究有重要意义。本论文的主要内容是针对特定的LD模块，研发一台具有高功率、高效率、高功率因数的驱动电源。
　　⑴分析了目前市场上LD模块驱动电源性能的优劣，由此提出一种基于LLC谐振技术的高功率LD模块驱动电源。电源采用两级串联结构，其中前级为交错并联升压型功率因数校正电路（Boost PFC），后级为基于LLC谐振技术的直流/直流（DC/DC）变换电流源电路。通过在电源系统中运用有源功率因数校正技术，来提高电源输入端的功率因数；通过运用交错并联技术和LLC谐振软开关技术，来提升整个电源系统的功率密度和电能转换效率。
　　⑵针对电源结构，分析了电路各个模态的工作原理，通过对电源电路的理论分析，阐述了该电源系统的优势，即可兼顾高的电能转换效率和高的输入端功率因数。其后对其建立了功率传递的数学模型以及环路的小信号模型，并采用仿真软件saber对后级LLC谐振变换电流源主电路进行了仿真，同时分析了电源系统控制电路的环路特性以及整个电源系统的稳定性。
　　⑶结合理论分析和仿真，针对德国DILAS公司E15.4Y-940.3-960C-VH8.1型LD模块，完成整个电源系统的硬件电路设计及参数设计，设计出一款性能样机。其满载输出特性：17V/60A（1KW）。
　　⑷最后通过实验证明了所设计的LD模块驱动电源工作性能良好，以与LD伏安特性相似的硅链为负载时，电源输入端功率因数（PF）大于0.97，整个电源系统满载电能转换效率高达85％，具备高效率和高功率因数的特点，实验结果达到了预期。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 电力电子变换和控制技术在激光行业的应用

1.3 国内外研究概况

1.4 论文的主要研究内容

2 电源系统方案制定

2.1 LD的驱动特性

2.2 主电路方案选择

2.3 电源中运用的关键技术

2.4 本章小结

3 交错并联BOOST PFC电路原理分析

3.1 功率因数校正（PFC）的意义

3.2 交错并联Boost PFC工作模式分析

3.3 交错并联Boost PFC特性分析

3.4 交错并联Boost PFC控制实现方式

3.5 本章小结

4 半桥LLC谐振变换器电路原理分析

4.1 半桥LLC谐振变换器拓扑结构分析

4.2 半桥LLC谐振变换器的FHA模型分析

4.3 半桥LLC谐振变换器的设计考虑

4.4 半桥LLC谐振变换器的工作原理分析

4.5 半桥LLC谐振变换电路的小信号模型分析

4.6 半桥LLC谐振变换器主电路仿真

4.7 半桥LLC谐振变换器控制策略实现方式

4.8 本章小结

5 电源硬件电路设计与实现

5.1 电源电路总体结构框图

5.2 交错并联Boost PFC电路参数设计

5.3 半桥LLC谐振变换电流源电路参数设计

5.4 本章小结

6 实验结果分析

6.1 电源实物图与测试条件

6.2 电源输入端功率因数测试

6.3 电源电路波形

6.4 电源电能转换效率

6.5 实验中存在的问题

6.6 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录