【我的畢設作品】大功率光纖激光電源設計

以野外環境作為應用背景，針對光纖激光器的供電需求，對大功率光纖激光電源系統進行設計與實現。從光纖激光器中的泵浦源結構以及工作特性角度對光纖激光器的供電需求進行分析，并建立了柴油發電機組的數學模型，利用Simulink仿真得到光纖激光器加入系統時柴油發電機組輸出電能的變化情況；對高能光纖激光電源系統的總體結構進行設計，并對其中的恒流源模塊、主控制模塊等主要模塊進行分析與設計。分析并提出了并聯功率補償策略；對光纖激光驅動電源的軟硬件進行設計與實現，通過實驗測試激光驅動電源的性能，并驗證其可行性；最后對功率補償裝置中的儲能元件進行選型，并設計其放電電路拓撲。搭建了高能光纖激光電源系統的Simulink仿真模型，驗證高能光纖激光電源系統的可行性。

單模光纖激光器的穩定輸出功率很難達到1000W以上，所以目前1000W光纖激光器是業界中使用最為廣泛的單模光纖激光器，如果想要得到更高功率的激光輸出，則需要通過激光合束技術將多個1000W單模光纖激光器的激光輸出進行整合。本課題中，使用4個1000W光纖激光器通過合束的方法得到4000W激光輸出，其中使用的1000W光纖激光器的泵浦源陣列結構示意圖如圖2.1所示。

圖2.1 光纖激光器泵浦源結構示意圖

圖2.1中，整體1000W光纖激光器由5路泵浦源陣列并聯組成，每一路泵浦源陣列，又由5個泵浦源串聯組成，每一路泵浦源陣列輸出功率為400W~500W，之后每個泵浦源輸出的泵浦光再經過光學諧振腔，最終輸出激光功率達到1000W。

4000W光纖激光器供電需求如表2.1所示。

表2.1 4000W光纖激光器供電需求

指標名稱

范圍

單路泵浦源陣列輸入電流范圍

DC10A~13A

單路泵浦源陣列輸入電壓范圍

DC40V~45V

電流噪聲峰峰值

≤50mA

控制模式

外部信號控制

恒流源模塊數量

恒流源模塊

恒流源模塊應選用線性恒流源來減小輸出電流的噪聲。恒流源電路是由差分放大電路，前置驅動電路，以及恒流輸出電路組成。采用三極管分壓的形式控制恒流輸出。

通過對幾種影響因素的分析，得出以下結論：在直接影響因素中，運算放大器自身參數帶來的誤差對激光器恒流源穩定度的影響無法通過負反饋減小，可以使用失調電流、失調電壓以及溫度漂移系數等參數小的運算放大器以減小其本身誤差對恒流源帶來的影響。基準電壓Vref的變化直接影響恒流源輸出精度。因此需要設計穩定性良好的基準電壓Vref。負載等效電阻RL、三極管QZ1以及采樣電阻RT1對輸出電流穩定度的影響皆與電路的放大倍數有關，電路的放大倍數越大其影響越小，但如果放大倍數太大，電路容易產生振蕩，所以設計時也須結合具體指標綜合考慮。另外由于電路的輸出電流大，MOS管的功耗就越大，MOS管的選型以及散熱就顯得至關重要。同時，在實際設計電路時要選擇熱阻合適的器件，采取相散熱措施，盡可能提高恒流源輸出電流的穩定性。