基于单片机的大功率脉冲电源电路设计文献综述

 2022-11-22 15:46:16

文 献 综 述

二极管泵浦技术的出现,为固体激光器注入了新的生机和活力,为固体激光器带来了一场革命。随着大功率二极管制造工艺的成熟和生产成本的降低,二极管泵浦固体激光器的研究得到了飞速的发展,逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域之一。大功率二极管泵浦固体激光器在高精度打击武器中具有重要的作用,是未来固体激光器的发展方向。各个发达国家争相发展大功率半导体激光器的应用技术。尤其是 DPSSL技术。作为其应用的核心技术之一的脉冲大功率半导体激光器电源的研制既有很强的必要性、也有一定的紧迫性。它的研制不仅会促进 DPSSL 的发展,对于大功率半导体激光器在其它领域的应用也有着积极的意义。

所谓脉冲功率技术,就是把存储起来的具有较高密度的能量,进行快速压缩转换或者直接释放给负载的电物理技术。其基本工作原理是:首先经过慢储能,使初级能源具有足够的能量,然后向中间储能和脉冲成形系统放电(或流入能量),能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等复杂过程之后,形成了脉冲电源。

这是一门研究高电压、强电流、大功率脉冲的产生、传输和应用的技术。脉冲功率技术萌芽于20世纪30年代,在 70年代后期,随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论和等离子体技术等的研究和日益广泛的应用,脉冲功率技术得到重视和迅速的发展。[1]

大功率半导体激光器工作方式有以下三种 1.直流驱动下的连续工作;2.在脉冲状态下工作,具有低占空比的脉冲工作方式;3.在脉冲状态下工作,具有高占空比的脉冲工作方式,又称为准连续(QCW)工作方式。大功率半导体激光器驱动电源的研制主要集中在连续工作方式。但由于连续激光器功率限制,电流一般不超过50A。就准连续驱动电源而言,它要求以脉冲电流源形式来驱动半导体激光器。通常一种高性能指标的样机为∶脉冲电流10~150A、重复频率范围可达 25~1000HZ、脉冲宽度 50~1000mu;s。

通常而言,衡量大功率脉冲电源的指标主要分为以下几种:输出波形形状、输出脉冲电压电流大小、输出脉冲频率、脉冲占空比、脉宽等。考虑到激光器在脉冲方式下工作,不需为激光器提供高的平均功率,但需要为激光器提供很大的瞬时功率。所以对电源的动态、静态性能都提出了较高的要求。与小功率半导体激光器在小信号调制下的小信号等效电路不同,大功率半导体激光器的大信号等效电路可以忽略一些大信号工作方式下无关紧要的参数。不同型号半导体激光器等效电路参数视其器件结构不同而异,如结面积的大小、内引线与芯片连接方式等均会影响电路分布参数的大小。即使是同一型号的半导体激光器的等效电路参数也有着很大的离散性。

根据目前对脉冲整形的研究,存在以下几种方法可对脉冲电源提供能量存储和脉冲整形:(1)基于电感储能的控制方法;(2)合成 PFN 网络;(3)E 型脉冲形成网络(E-type PFN)(4)基于电容储能的开关控制法(5)BUCK 型电流源;(6)基于电容储能的线性电流控制法;

脉冲功率装置一般由三部分组成:初级能源或储能系统、脉冲压缩和成形系统以及负载及应用系统,初级能源或储能系统的存在形式多种多样,可以分为电容储能、电感储能、化学能储能以及机械储能;脉冲压缩和成形系统又被叫做高压脉冲电源,它主要的供能是将初级能源储存的能量进行压缩转换,释放到负载上。在所有的电源种类中,高压脉冲电源是属于特殊电源的一种,高压脉冲电源是功率脉冲装置设计的关键,也是整个功率脉冲装置设计的难点,高压脉冲电源的性能也直接影响到脉冲功率装置的性能。[4]

后级脉冲放电单元拟考虑采用两模块级联与线性开关管闭环控制相结合的控制方式。采用两模块级联拓扑可增大脉冲电源输出的电压范围,增大输出电压等级,灵活匹配各种电压等级的半导体二极管。

前级充电单元拟考虑选择 LCC 谐振变换器,并且工作在断续双脉冲模式,这样既能抗负载短路又能抗负载开路,同时实现软开关,提高工作效率,又能实现恒流充电,保证储能电容电压线性上升,给后级脉冲放电过程提供一个良好的电压环境。

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