轴快流CO2激光器2MHz射频电源的设计与仿真

论文摘要

射频激励轴快流CO2激光器相对于直流激励具有放电稳定、注入功率密度高、电控特性优良以及对放电气体无污染等特点,更能满足工业应用中对高功率激光器的需求。传统基于电子管的射频激励源的体积庞大且效率低,而半导体技术的发展,使得射频激励源的小型化有了更多的选择。本文设计了基于小侧面新型射频功率半导体场效应管的轴快流CO2激光器的2MHz射频激励单元。其主要内容如下:首先,分析射频激励轴快流CO2激光器的气体放电特性,在此基础上确定了射频激励单元的频率、电气参数以及整体的电源结构。其次,为实现小损耗的电力变换,分析了串联谐振并联负载结构中实现零电压软开关的开关模态及死区时间。随后,引入半导体器件的仿真模型,利用PSPICE软件对回路以及开关模态进行了仿真验证。最后,对射频激励单元的主回路及控制保护隔离电路进行了参数选择、器件选型及硬件设计。为了减小回路寄生电感,实验中选用了小侧面封装的射频功率半导体场效应管混合集成模块,利用半导体场效应管模块每两个以背靠背的放置方式,组合形成三明治结构的全桥回路。核心控制器使用数字信号处理芯片与可编程逻辑器件相结合的方式来产生驱动信号。为减小高频开关对控制器的影响,控制器与逆变回路之间采用光纤通讯。本文通过对2MHz高功率射频逆变单元的研究,完成了逆变回路的理论分析、仿真和硬件设计,为高功率射频激励轴快流CO2激光器的小型化提供了有益的技术探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 2 激光器国内外发展概况'>1.2 轴快流CO₂激光器国内外发展概况
• 2 激光器激励技术进展'>1.3 轴快流CO₂激光器激励技术进展
• 1.4 本课题的研究意义和内容
• 2 激光器放电特性分析及电源结构设计'>2 轴快流CO₂激光器放电特性分析及电源结构设计
• 2.1 激光器气体放电特性
• 2.2 激光器射频电源参数
• 2.3 射频逆变电源的整体结构
• 2.4 本章小结
• 3 逆变模块理论模型与仿真
• 3.1 逆变模块回路结构
• 3.2 开关模态
• 3.3 基于高速MOSFET 的逆变回路仿真
• 3.4 本章小结
• 4 逆变模块硬件设计
• 4.1 逆变模块总体结构
• 4.2 逆变回路的硬件设计
• 4.3 控制与保护部分
• 4.4 逆变电源模块PCB
• 4.5 本章小结
• 5 全文总结
• 致谢
• 参考文献