硕士学位论文激光器电源研究

中图分类号：TP332 论文编号：1028704 14-S004学科分类号：080902 硕士学位论文 激光器电源研究研究生姓名学科、专业电子科学与技术、电路与系统研究方向电子系统设计指导教师研究生院 电子信息工程学院二一三年十二月 承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名： 日 期：_ 南京航空航天大学硕士学位论文摘 要目前，激光器应用到电子、汽车、医疗、航空等各个领域，然而由于其本身固有特性，导致对其供电电源指标特性要求很高，一般电源都难以达到要求，国内许多激光器厂家都须进口国外昂贵的激光电源。本文针对激光电源的需求，设计并实现了一种最大功率为500W的激光电源系统。该系统采用两级式结构，前级为功率因数校正电路，后级为直直变换器，整机市电输入，直流输出，主要工作为设计系统的软硬件及各个模块的协调以使系统能够达到指标要求并能够长期正常的工作。首先结合指标并对比多种拓扑，分别确定了本系统前级采用有源功率因数校正电路和后级采用带有同步整流的移相全桥电路的主拓扑，并设计了前级与后级的控制策略；然后详细分析并设计了系统的硬件电路部分和软件电路部分，硬件部分包括前后级主功率电路、控制电路、驱动电路、保护电路、辅助电源电路、浪涌吸收电路、下电迅速放电电路、采样电路及人机互动电路，软件部分包括采样模块、键盘模块、显示模块、保护单元及D/A单元；最后本文给出了本激光电源系统原理样机的主要测试结果，并给出了展望工作。仿真验证和实验测试均表明：本课题所设计的激光电源系统样机不仅在输出功率、纹波系数、效率、功率因数、负载调整率、电流过冲等指标上能够满足所提要求，而且还具有良好的稳定性和散热效果，完善的保护和人机互动等功能。关键词：激光电源，功率因数校正电路，直直变换器，控制策略，浪涌吸收ABSTRACTAt present, the laser is applied to the electronics, automotive, medical, aerospace and other fields, due to its inherent characteristics, however, leading to the high demand with indicator characteristics for power supply, general power supply is hard to meet the requirements, many laser manufacturers in the domestic are required to import expensive laser power supply abroad. According to the need of laser power supply, a kind of laser power supply system with maximum power of 500W is designed and realized in this paper. Two levels of structure are adopted in this system, the first level is power factor correction circuit and the last level is DC/DC converter. The input is AC and the output is DC in whole machine. The main job in this paper is to design the hardware and software of the system and to coordinate modules so that the system can meet the requirements of indicators and can operate normally for a long time. Combining with indexes and comparing a variety of topology, the main topology of the first level adopting the active power factor correction circuit and the main topology of the last level using the phase-shifted full-bridge with synchronous rectifier circuit are determined firstly. Meanwhile the control strategy is designed. Then the hardware circuit part and software circuit part of the system are analysised and designed in detail. The hardware circuit part includes main power circuit, controlling circuit, driving circuit, protection circuit, auxiliary power circuit, absorbing surge circuit, discharge circuit quickly, sampling circuit and human-computer interaction circuit. The software circuit part includes sampling module, keyboard module, display module, protection unit and D/A unit. Finally the main test results of the principle prototype of laser power supply system and the future work are presented in this paper. Simulation and experimental tests both show that: the prototype of laser power supply system designed in this topic not only can meet the proposed requirements on indicators for the output power, ripple coefficient, efficiency, power factor, load regulation and current overshoot, but also has a good stability , heat dissipation effect, perfect protection and human-computer interaction, etc. Key Words: laser power supply, power factor correction circuit, DC-DC converter, control strategy, absorbing surge目 录第一章 绪论11.1激光电源的发展现状11.2激光电源的研究意义21.3本文的主要研究内容3第二章 激光电源系统总体设计52.1系统性能指标52.2系统总体方案设计52.3系统拓扑结构设计62.3.1整流变换器拓扑设计62.3.2直直变换器拓扑设计72.4系统控制策略设计72.5本章小结9第三章 激光电源系统硬件设计103.1硬件总体设计103.2前级整流变换器设计103.2.1前级主电路设计103.2.2前级缓冲电路设计133.2.3前级控制及保护电路设计143.2.4前级驱动电路设计153.3后级直直变换器设计153.3.1后级主电路设计153.3.2后级控制电路设计243.3.3后级驱动电路设计253.3.4后级保护电路设计263.4辅助电源设计273.5浪涌吸收电路与下电迅速放电电路设计303.6采样设计313.6.1电压采样电路313.6.2电流采样电路323.7单片机单元设计323.7.1单片机外围电路设计333.7.2显示模块设计333.7.3键盘模块设计343.8本章小结34第四章 激光电源系统软件设计354.1软件总体设计354.2采样模块软件设计354.3键盘模块软件设计364.4显示模块软件设计374.5保护单元软件设计394.6D/A单元软件设计404.7本章小结40第五章 系统仿真、分析与测试415.1系统仿真与分析415.1.1前级仿真与分析415.1.2后级仿真与分析425.2系统纹波与稳定性分析435.2.1前级纹波与稳定性分析445.2.2后级纹波与稳定性分析465.3样机测试结果与分析485.3.1前级测试与分析485.3.2后级测试与分析515.3.3整机测试与分析535.4整机可靠性测试575.4.1前级拷机分析575.4.2后级拷机分析585.4.3整机拷机分析595.5本章小结60第六章 总结与展望616.1本文工作总结616.2后期工作展望61参考文献62致 谢66在学期间的研究成果及发表的学术论文67图表清单图2.1系统总体结构框图6图2.2基于Boost变换器的APFC拓扑图7图2.3带有同步整流的移相全桥拓扑图7图2.4前级控制框图8图2.5后级电压环控制框图8图2.6后级电流环控制框图9图3.1硬件总体框图10图3.2 APFC电路10图3.3 APFC电路模态图11图3.4前级整流变换器电路图14图3.5前级缓启动模态图14图3.6前级工作电路原理图14图3.7前级驱动电路15图3.8后级拓扑电路图16图3.9后级关键波形16图3.10后级工作模态图19图3.11后级控制电路25图3.12 UCC3895输出信号处理电路25图3.13后级全桥开关管驱动电路25图3.14后级副边同步整流管驱动电路26图3.15后级保护结构图26图3.16后级保护原理图27图3.17辅助电源原理图28图3.18浪涌吸收电路框图31图3.19输入电压采样32图3.20输出电压采样32图3.21输出电流采样32图3.22数字控制器控制框图33图3.23 STC12C5A60S2及其外围电路33图3.24显示模块连接示意图34图4.1软件总体流程图35图4.2键盘程序流程图37图4.3显示软件流程图36图4.4软件保护处理流程图40图4.5 D/A程序流程图40图5.1前级仿真主电路图41图5.2前级仿真控制电路图41图5.3前级仿真结果42图5.4后级仿真主电路图42图5.5后级仿真控制电路图43图5.6后级仿真结果43图5.7前级输出对输入传递函数仿真波形45图5.8前级输出对控制传递函数仿真波形46图5.9后级输出对输入传递函数仿真波形47图5.10后级输出对控制传递函数仿真波形47图5.11激光电源系统原理样机48图5.12原理样机结构说明图48图5.13前级实验波形49图5.14前级输出电压纹波49图5.15前级效率曲线50图5.16后级实验波形51图5.17后级效率曲线52图5.18整机实验波形53图5.19整机软开关波形54图5.20整机输出电流上电波形54图5.21整机输出电流纹波55图5.22整机效率曲线56图5.23前级拷机功率器件温度变化曲线58图5.24后级拷机功率器件温度变化曲线59图5.25整机拷机功率器件温度变化曲线60图5.26系统15小时整机拷机散热器温度变化曲线60表2.1激光电源系统指标要求5表3.1后级一个周期工作状态表16表3.2变压器参数30表5.1前级实验测试数据(a)50表5.2前级实验测试数据(b)50表5.3后级实验测试数据(a)52表5.4后级实验测试数据(b)52表5.5整机实验测试数据(a)55表5.6整机实验测试数据(b)56表5.7整机实验测试数据(c)56表5.8原理样机实测数据与指标要求对比57表5.9 前级拷机测试数据（560W负载）58表5.10后级拷机测试数据（500W负载）58表5.11整机拷机测试数据（500W负载）59缩略词缩略词英文全称APFCActive Power Factor Correction PIDProportion Integration DifferentiationPIProportion IntegrationPFCPower Factor CorrectionPPFCPassive Power Factor CorrectionZVSZero Voltage SwitchESREquivalent Series Resistance69南京航空航天大学硕士学位论文第一章 绪论1.1 激光电源的发展现状目前，激光器由于本身体积小、效率高、重量轻而应用于电子、汽车、医疗、航空等众多领域，激光电源是伴随着激光器的应用而发展起来的。激光器的核心是PN结，它是通过注入电流来工作的，流过电流的稳定与否直接决定着激光器的输出特性是否良好，如果稳定性太差，可能直接烧毁激光器14。从而激光器驱动电源最基本需要满足的一个性能是具有纹波系数很低，稳定度很高的恒流源。在实际使用中，激光器除了要求驱动电源为恒流外，还要求驱动电源具有良好的温度特性，除了具备普通电源具有的保护外，还应具有浪涌吸收电路等特殊保护，致使激光电源由于这些特定需求而使一般普通电源难以达到要求。开始出现激光器时，由于激光器功率小，加上本身性能较为欠缺，一般采用线性电源结构作为激光电源的主拓扑，由于线性电源输出纹波小、动态响应快，容易满足小功率的激光器，并得到了较好的应用，文献56正是用线性电源研制出的小功率激光电源。但随着激光器的发展，激光器输出功率越来越大710，迫使激光电源需要提供较大功率，这样线性电源致命问题日益明显暴露出来，如线性电源功率管工作在线性区，功耗大、发热厉害，需要笨重的散热器给功率管散热，有时甚至需要风扇给予吹风散热，这在明显拉低效率的同时还增加了系统本身的体积与重量。对于需要方便携带的应用场合，线性电源必然无法使用。随后电力电子器件大量应用到电力电子技术中，使得电源技术发生质变，随着场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT的出现，开关电源技术逐渐代替线性电源技术来研制激光电源，由于MOSFET和IGBT功耗低、体积小、易于集成，它们很快成为开关电源的主功率管，直到现在仍然是运用最为广泛的开关器件之一1112，使用开关电源13已成为大功率激光器电源发展的必然趋势1419。开关电源由于功率管工作在饱和区和截止区，能大大减小功率管的损耗、提高系统的效率，有利于缩减整机体积及重量，大大提高整机性能，有利于系统长期稳定工作。但不管是线性电源还是开关电源，在发展的初始阶段，控制都为模拟控制，电源本身只能输出单一功率，要想改变功率，只能改变其硬件参数。这就使得一种激光电源只能适合一种激光器，无形中限制了激光电源的发展。随着集成电路技术的日益成熟，数字控制芯片单片机出现并广泛应用于各种控制领域，激光电源也开始使用单片机进行控制2021，这种控制大致分为两类：一类控制环路仍采用模拟环，但基准通过单片机给予，这类控制属于数模混合控制；另一类环路与基准全部使用单片机，这类控制为全数字控制。不管是使用数模混合控制还是使用全数字控制，激光电源的使用技术又发生了一次质变，这类技术使用后，激光电源无需改变硬件参数就可以改变输出功率，使得在负载功率允许范围内接入不同功率的激光器，使得可接入负载类型多样化。同时，使用数字控制技术后，使得控制电路变得简单，大范围简化电路，使得较为复杂的控制算法变为现实运用到激光电源电路上去，增加了系统的控制程度。而且数字控制可以增加系统的输出精度，这点在激光电源指标中非常重要。近些年，伴随大规模集成电路技术的发展与应用，特别是DSP、FPGA的问世，增加了系统的可控性，使得激光电源的集成度得到大幅度提高，进而使得激光电源的稳定性得到很大提高2223。增加系统的集成度，使得系统小型智能化、使系统输出更为稳定是激光电源必然的发展方向。我国对激光器的研究较迟，对激光电源的研究也是建立在国外研究的基础上。国外一些发达国家激光电源的研究技术已经较为成熟，文献24指出，日本一家公司研发的一种激光器驱动电源，可以按照激光器驱动电流的样式，利用一个样式驱动多个激光器。文献25中提到，德国ALPHALAS公司和美国ILX Lightwave公司均在激光电源领域有重要成果，德国ALPHALAS公司的激光电源可输出几毫安到上百安培驱动电流，温度精度高达千分之一度。美国ILX Lightwave公司生产的激光电源不仅具有控电流和控功率两种模式，而且内部还集成32W的温度控制器，可实现高精度温度控制。文献26中提到，英国HANCOCK等人利用正弦相位对电源输出电流进行调制，使激光电源输出更为高精度的电流。文献27指出，国内一些激光电源研制场所，其产品有的输出电流精度不高、纹波较大，有的只是纯模拟控制器件，有的只有恒流没有恒压或恒功率控制。在电源功率和开关频率方面，文献28指出，国外激光电源开关频率早已达到MHz级别，而国内开关频率最大为500KHz水平；功率方面，国外通过单个模块的串并联，已实现30万瓦的水平，明显超过国内水平。综合国内外研究情况，国外激光电源研究水平大大高于国内研究水平，国内的激光电源，不管是从理论技术上，还是从实践应用上都需要很多人去研究。1.2 激光电源的研究意义虽然开关电源技术和集成电路技术早已应用到激光电源上，但目前国内激光电源的效率、输出纹波等各项指标均有待改善，很多问题值得去深入研究。开关电源由于开关管频繁开关，导致输出纹波一般较大，往往纹波很难降低，而纹波大小对激光器有极大影响，极小的输出电流或电压变化都会给激光器输出带来巨大的变化，严重时甚至烧毁激光器，纹波是激光电源一个非常重要的指标，减小纹波一直会是激光电源发展的方向。文献2931指出的带有同步整流的移相全桥电路拓扑，利用低导通内阻的MOSFET代替功率二极管，在实现软开关的条件下，不仅可以减小损耗，大幅度提高效率，而且可以减小输出纹波，但现有激光电源产品中很少利用到这一点，现有的研究文献也极少把软开关技术应用到激光电源上面去。激光器本身开启电流比较大，现有产品、现有研究文献32往往没有要求驱动电源的电流需要从零调节，导致这类激光器还没发光的时候也消耗功率，降低了整机效率。更为重要的是，如果这些功率较大时，大到会影响激光器的性能时，问题就变得更严重。从而研究一种能够实现从零调节的激光电源对于提升效率、甚至对于保护激光器方面都意义重大。激光器承受上电冲击能力很差，激光电源另一个重要指标就是电流过冲，激光电源必须能够有效抑制电流浪涌，否则一旦电流过冲超过激光器所能承受的范围，激光器性能就会变成变差，甚至直接损坏，在激光电源电路上加入软启动电路、防浪涌电路非常重要，然而很多文献研究的激光电源都没有这类电路，如文献3334。由于国内激光电源起步较晚，抑制纹波和抑制浪涌两项指标均不理想，国外激光电源技术成熟，虽说理想但价格昂贵，普通激光器厂商根本供应不起3536。目前很多研究文献与很多产品只能是恒流这种单一控制，虽然大部分场合都应用恒流控制，但仍有需要应用恒压控制的场合，若一种激光电源能够提供恒流和恒压两种控制方式，不仅可以拓展电源所带的激光器类型，而且对电源本身来说也是个卖点。文献3738研究的激光电源没有给予功率因数校正，不关注电网谐波污染，但随着激光器应用场合日益广泛，对激光电源要求也越来越高，除了上述提到激光电源本身应要求的性能外，电源对外界的影响也日益受到人们的关注，并成为评价激光电源性能的其它重要依据，人们最为关注的就是电源本身对电网的谐波污染问题，从而功率因数也成为激光电源的重要指标之一。基于以上所述，研究一款低纹波、高效率、输出可实现从零调节、含有功率因数校正的激光电源迫在眉睫，这是激光器电源的发展要求，是进一步提高系统性能的必由途径。在激光器应用日趋广泛的今天，研制廉价可靠的激光电源产品，是市场的需求，是激光器得到广泛应用的保证。在激光电源上加入保护，延长激光器使用寿命，提高激光电源系统效率，减少功率损耗，增加输出精度，实现电流从零开始调节并最终恒流也将有着深远的意义，本课题正是由此而提出的。1.3 本文的主要研究内容鉴于当今国内外激光电源的研究状况和对未来发展的展望，本课题设计、验证并实现了一种激光电源系统。该激光电源系统主要包括：主功率电路、控制电路、驱动电路、保护电路、辅助电源、浪涌吸收电路、下电迅速放电电路和人机互动电路等部分。全文共六章，各章内容安排如下：第一章首先介绍了激光电源的发展现状，然后分析了激光电源的研究意义，最后简要介绍了本文的章节和内容安排。第二章根据本激光电源系统的指标设计了系统的总体方案。首先设计出了本系统总体结构框图，然后分别综合比较多种拓扑结构并最终选择带有Boost结构的有源功率因数校正（Active Power Factor Correction, APFC）电路以及带同步整流电路的移相全桥拓扑结构作为系统前级和后级的主电路拓扑。最后在分析比较APFC多种控制方式下，选用平均电流控制作为前级的控制策略；在分析比例积分微分调节(Proportion Integration Differentiation, PID)控制优点的基础上，结合系统功能及指标设计出后级电流环和电压环均采用闭环比例积分调节(Proportion Integration, PI)控制。第三章设计了本激光电源系统的硬件电路，主要包括：前级整流变换器、后级直直变换器、辅助电源、浪涌吸收电路、下电迅速放电电路、采样电路及人机互动电路。前级整流变换器的主拓扑为带有Boost结构的APFC电路，设计了合理的缓启动电路、控制与保护电路及驱动电路，前级控制采用控制芯片UCC28019；后级直直变换器主拓扑为带有同步整流电路的移相全桥拓扑，同时加入控制电路、驱动电路及保护电路，控制芯片采用UCC3895，外接PI实现恒流、恒压可切换控制；辅助电源采用反激拓扑结构输出电路所需的供电电压；之后设计了浪涌吸收电路、下电迅速放电电路及采样电路；最后设计了本系统中人机互动电路所使用的数字控制芯片STC12C5A60S2及功能电路。第四章设计了本课题的软件部分，具体包括五个部分：采样模块、显示模块、键盘模块、保护单元以及D/A单元。其中对执行速率要求较低的D/A单元放在程序的主函数中，而对实时性要求较高的采样模块、显示模块、键盘模块和保护单元放在中断处理程序中，以使得在保证程序执行效率的情况下做到程序的最优化。设计中给出了各个部分的算法流程图及部分程序。第五章首先对硬件电路进行了saber建模仿真，确定其原理的可行性。然后通过saber建模仿真分析系统的纹波与稳定性，确定其原理的可靠性。接下来在确定原理可行性与可靠性基础上，研制样机，实测其具体波形并分析测试数据，结合第二章中提到的指标，得出其性能指标均达到所提指标要求。最后通过拷机测试系统的稳定性，在满载条件下进行了120分钟拷机测试，对关键功率器件的温度变化绘制了曲线图，最终为充分测试本系统的稳定性及可靠性，进行了15小时的拷机。第六章首先总结了本文的主要研究工作，然后展望了后期研究工作。第二章 激光电源系统总体设计本章首先根据系统性能指标设计了500W激光电源系统的总体方案，然后结合当前国内外研究状况设计出本系统的主拓扑并确定其结构框图，最后设计出能够实现本系统所要求指标的控制策略。2.1 系统性能指标根据目前国内外激光电源系统的研究情况，并结合实际可行性、市场需求等方面，确定本课题所设计的激光电源系统具体指标如表2.1所示：表2.1激光电源系统指标要求指标输入电压（）185VAC265VAC输出电压（）020VDC可编程输出电流（）025A可编程最大输出功率（）585VA（22.5V、26A）输出电流纹波系数<0.5%最高效率（）>85%功率因数（）>0.98负载调整率输出电流的1%电流过冲最大满量程的8%工作方式恒压与恒流两种工作模式并可互相切换2.2 系统总体方案设计根据本激光电源系统的指标要求，设计出本系统结构框图如图2.1所示，包括：整流变换器、直直变换器、浪涌吸收电路和下电迅速放电电路、采样电路、模拟控制电路、数字控制电路、驱动电路、保护电路、人机互动电路等部分。其中电能主要是通过功率主电路即整流变换器、直直变换器和浪涌吸收电路和下电迅速放电电路来传输的，而采样电路、驱动电路、模拟控制电路、数字控制电路以及保护电路主要是控制主电路，实现主电路正确的传输电能，通过人机互动电路实现用户对系统的控制以及将系统的状态反馈到用户，人机互动电路包括显示电路和键盘电路等。下面具体设计系统主电路的前级和后级及其控制策略，浪涌吸收电路和下电迅速放电电路留在第三章中详细分析设计。图2.1系统总体结构框图2.3 系统拓扑结构设计2.3.1 整流变换器拓扑设计激光电源系统中前级整流变换器的作用主要是将电网电压变成直流电压作为后级DC/DC的输入，同时保证电网电流与电网电压同相位以保证对电网无谐波污染，往往要求其转换环节尽可能少、拓扑结构尽可能简单以提高整机效率。传统的整流变换器采用二极管整流桥整流，在输出端接有大容量电解电容，致使每个周期内电网电流只出现两个小尖峰，从而电网电流含有很多谐波成分。谐波电流不仅造成电网电压产生畸变，而且影响电能的使用，严重时甚至烧毁变电设备。为此，功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)逐渐得到应用39。功率因数校正是指从电路本身着手，采取措施使电网输入电流变成正弦波，同时与电网电压保持相位及周期均一致。早起的功率因数校正为无源功率因数校正(Passive Power Factor Correction, PPFC)，一种思想就是在整流桥前面或后面加滤波电感，来加大整流二极管的导通角，延长电流的持续时间，实现功率因数校正40。还有一类常用方法就是利用电容和二极管串并联进行功率因数校正，原理还是增加整流二极管的导通角，改善功率因数41。无源功率因数校正虽然方法简单，器件少，但是器件体积大，并且校正后效果不理想，功率因数基本都小于0.8。为此，现在往往都采用有源功率因数校正42 44。有源功率因数校正基本思想就是在整流桥与负载之间加入一个开关变换器，采电压、电流，应用反馈控制技术，使输入电流跟踪输入电压，实现功率因数校正，由于采用电流跟踪电压方案，校正后功率因数一般都在0.95以上，远好于无源功率因数校正。APFC基本电路包括主电路和控制电路，原理上很多种DC/DC变换器都可作为APFC的主电路，但本课题前级整流变换器作为后级DC/DC变换器的输入，需要较强的带载能力，且通常需要升压，虽然升压电路拓扑很多，但中小功率的变换器主要采用Boost和Buck-Boost。由于Buck-Boost 开关管接在主干路上（源极不接地），因此驱动需要隔离，同时当开关管断开时，输入与输出断开，从而输入端电网没有得到有效的利用。Boost变换器升压能力强，基于Boost变换器的APFC输出电压高，可用于功率扩展，且驱动不需隔离，已成为APFC电路中研究和应用最多的一种变换器，因此本激光电源系统的前级整流变换器拓扑选用基于Boost变换器的APFC电路，如图2.2所示。图2.2基于Boost变换器的APFC拓扑图2.3.2 直直变换器拓扑设计直直变换器按输出与输入电气关系可以分为隔离型和非隔离型，非隔离型拓扑主要包括Boost、Buck和Buck_Boost等；隔离型拓扑主要包括正反激、推挽、半桥及全桥等。本系统作为应用产品，为防干扰及考虑实际安全性，需选用隔离型拓扑。正反激拓扑一般功率较小，而且相对移相全桥变换器拓扑来说，其磁芯元件利用率低；相对于推挽拓扑结构，移相全桥变换器拓扑开关管的电压应力低；相对于半桥拓扑结构，移相全桥变换器拓扑开关管的电流应力低；同时移相全桥相对于普通全桥拓扑，除了保留普通全桥拓扑的优点外，移相全桥含有谐振元件，易实现软开关，使桥臂四个开关管实现零电压开通与关断，有利于提高整机效率及减小整机输出纹波。综合比较，移相全桥拓扑适用于高电压、大功率的开关电源设计与应用。同时由表2.1可知，本激光电源输出为低电压大电流，为减小副边二极管损耗，将移相全桥副边整流方式由全波整流变为同步整流，即将副边整流二极管换为MOSFET，因此得到本课题后级所采用的DC/DC拓扑如图2.3所示，即：带有同步整流的移相全桥拓扑结构。图2.3带有同步整流的移相全桥拓扑图2.4 系统控制策略设计根据表2.1系统指标，本系统的控制可以分为两部分，一是对系统工作方式的控制，二是对系统闭环的控制。系统工作方式的控制在第三章控制部分和第四章软件部分会详细介绍，本节只分析系统的闭环控制策略。前级APFC控制方式按控制输入电流不同分可分为峰值电流控制，滞环电流控制和平均电流控制。对校正功率因数来说，峰值电流控制主要缺点是电流的峰值与平均值存在误差，使谐波电流较大，容易产生谐波振荡；滞环电流控制属于变频控制，当频率较高时，易出现电磁干扰；而平均电流控制由于控制平均电流，误差小，属于恒频控制，如果使电路工作在连续模式下，容易使输入电流谐波很小。综合比较，本课题前级选用平均电流控制策略，前级控制框图如图2.4所示。图2.4前级控制框图由表2.1系统指标可知，本系统工作方式需要恒压和恒流两种工作模式并可互相切换，由于前级采用平均电流模式，电流环和电压环同时工作，无法实现切换功能，故后级在控制上需要实现这种切换功能，为此后级在控制上电流环与电压环不能同时工作，任意时刻只能有一种控制环在工作。目前应用比较多的闭环控制策略有：无差拍控制、滑模变结构控制和PID控制等45 46。无差拍控制源自离散状态空间方程，适合于数字系统控制；滑模变结构控制由于采样频率对系统影响较大而比较难以控制；将误差进行比例、积分和微分处理的PID控制策略由于其结构简单、调试方便和性能稳定等优点得到了广泛的应用。最后综合考虑控制的静态、动态性能及系统指标等因素，本激光电源系统后级直直变换器的闭环控制采用在PID基础上改进的PI控制策略，经分析PI控制策略更适合本系统后级，后级电压环和电流环控制框图分别如图2.5和图2.6所示。图2.5后级电压环控制框图图2.6后级电流环控制框图2.5 本章小结本章根据本激光电源系统的性能指标进行了总体方案的设计。首先设计了本激光电源系统的结构框图，然后分别对前级整流变换器和后级直直变换器的主拓扑结构进行了对比选择，分别确定了基于Boost变换器APFC电路和带有同步整流的移相全桥拓扑为主电路拓扑结构。最后设计了本系统前级和后级的控制策略。 第三章 激光电源系统硬件设计通过第二章对本激光电源系统总体方案的设计和各个组成模块拓扑的设计后，本章将详细设计本激光电源系统中各个组成模块的硬件部分。3.1 硬件总体设计本系统的硬件总体框图如图3.1所示，接下来将对框图中各模块进行详细设计分析。图3.1硬件总体框图3.2 前级整流变换器设计3.2.1 前级主电路设计（1）原理分析本课题采用的整流变换器拓扑为基于Boost变换器APFC电路，为保证AC/DC的效果，在图2.2基础上加入了一些器件，如图3.2所示。图3.2 APFC电路图3.2中AC为市电交流输入，L1为共模电感，D1为整流桥，C1为CBB电容，L2为Boost电感，S为开关管，D2为Boost二极管，C2为输出滤波电容，RC为电流采样电阻。交流输入分为正负两个半周期，分别各有两个模态，前级整流变换器共有4个模态，如图3.3所示。1）模态：交流输入正半周期，开关管导通，电感充电，后级由供电。如图(a)所示。2）模态：交流输入正半周期，开关管截止，二极管导通续流，电感放电，给充电并为后级提供能量。如图(b)所示。3）模态：交流输入负半周期，开关管导通，电感充电，后级由供电。如图(c)所示。4）模态：交流输入负半周期，开关管截止，二极管导通续流，电感放电，给充电并为后级提供能量。如图(d)所示。(a) 模态(b) 模态(c) 模态(d) 模态图3.3 APFC电路模态图（2）参数设计474849为保证系统整机效率大于85%，这里要求前级效率，后级效率，由整机最大输出功率为585W可得前级最大输出功率满足式(3.1)：(3.1)由母线电压范围为370VDC390VDC，可得前级输出电流最大平均值为：(3.2)输入电流最大有效值满足式(3.3)：(3.3)最大峰值输入电流,最大平均输入电流分别满足式(3.4) 和式(3.5)：(3.4)(3.5)1）整流桥选择整流桥流过最大电流，最大电压,这里选用单相硅整流桥D25SB60，其正向最大电流为25A，最大反向电压为600V。2）输入电容选择 为保证前级电感纹波电流波动，前级输入电压高频纹波，则输入电流纹波满足式(3.6)：(3.6)输入电压纹波满足式(3.7)：(3.7)从而可得输入电容满足式(3.8)，其中为前级的开关频率且(3.8)电路中实际选用CBB电容，0.33uF/400V。3）电感和共模电感设计电感峰值电流满足式(3.9)：(3.9)当占空比时，可计算电感的最小电感量为：(3.10)实际电路中选取电感。共模电感主要滤除交流共模干扰，实际实验时采用两个共模电感，取值均为1mH。4）开关管选择开关管最大电压，最大流过电流。为给开关管留裕量，综合考虑实际选用IR公司的IRFP460，主要参数为，TOP247封装。4）整流二极管选择整流二极管最大压降，最大流过电流。电路实际选择IXYS公司的快恢复二极管DSEI60-06A，主要参数为，TOP247封装。5）输出电容选择为保证前级功率因数，其输出电压保持不小于，且市电最小频率，则输出电容可由(3.11)计算：(3.11)实际选用两个330uF/450V的电解电容并联。6）采样电阻选择(3.12)实际选用3个220m/2W的电阻并联。3.2.2 前级缓冲电路设计上电时，在交流输入电压还未达到185VAC之前，UCC28019还没有工作，从而Boost变换器没有工作，但在上电这段时间（交流电压为0185VAC）内，整流桥有输出电压，电流通过和为后级提供能量，这样很容易饱和，为此需要在这段时间提供一缓启动电路，让电流不从和这条支路流过。所以在图3.2的基础上加了得到前级整流变换器电路图，让在上电这段时间，电流流过将能量传递到后级，如图3.4所示。图3.4前级整流变换器电路图加入缓启动电路后，同样具有正负半周期两个模态，如图3.5所示。(a) 模态(b) 模态图3.5前级缓启动模态图这里选用IN5408，其允许最大反向压降1000V，最大流过电流3A。3.2.3 前级控制及保护电路设计前级控制采用平均电流控制，通常需要基准，三角波，误差放大器及外围电路，同时平均图3.6前级工作电路原理图电流控制为电流和电压双环控制，如果全部采用器件搭接，这样不仅增加整机体积，而且还可能由于某些因素造成不稳定，为此本课题前级选用芯片来控制。目前能用于功率因数校正且采用平均电流控制的芯片非常多，综合体积、性能、方便调试、经济等众多因素，选用UCC28019作为控制芯片，UCC28019是TI公司所研发的功率因数校正芯片，在对输入电流控制方式上，该芯片使用平均电流控制，在工作模式上，该芯片采用连续传导模式，校正后输入电流畸变小于1，谐波非常小，功率因数接近l。该芯片具有过流、输入欠压、输出欠压、过压等多种保护功能。其工作电路原理图如图3.6所示。3.2.4 前级驱动电路设计前级驱动电路如图3.7所示，VGS1为UCC28019的8脚输出，VGS2为送入Boost开关管的驱动信号，由于不需隔离，这里采用图腾柱驱动，结构简单，性能稳定。图3.7前级驱动电路3.3 后级直直变换器设计3.3.1 后级主电路设计（1）原理分析后级主电路拓扑是在移相全桥5051的基础上，将副边两个整流二极管分别用功率MOSFETS替换并且在变压器原边和谐振电感之间用两个功率二极管分别引到母线的正负端得到。其拓扑电路图和关键工作波形分别如图3.8和图3.9所示：图3.8中Ubus为母线输入电压即前级输出电压，Ibus为输入电流，Cbus为输入滤波电容（即前级APFC输出滤波电容），S1 S6分别为功率开关管，记S1 S6的寄生二极管分别为D1D6，并联电容（包含寄生电容）分别为C1C6，D11、D22为箝位二极管，Cz为隔直电容, Lx为谐振电感，T为变压器，Lo和Co分别为输出滤波电感和滤波电容，Uo和Io分别为输出电压和输出电流。图3.9中 vs1 vs6为S1 S6的驱动信号，uAB为前后两个桥臂之间的电压，ip为变压器原边电流，vr为变压器副边整流输出电压。为便于分析，假设图3.8中所有器件均为理想器件，C1= C2= Clag，C3= C4= Clead，C5= C6，忽略变压器匝间电容及励磁电流，n为变压器原副边的匝比。一个开关周期可分为12个工作模态，其模态图如图3.10所示，一个开关周期的工作状态如表3.1所示。图3.8后级拓扑电路图图3.9后级关键波形表3.1后级一个周期工作状态表前半周期区间(a)t0t1(b) t1t2(c)t2t3(d) t3t4(e)t4t5(f) t5t6导通功率管S1、S4 S5、D6S1、S4 S5S1、S5 D5S1、S3 D3、D5S3、D3、D5 S6、D6S2、D2、S3 D3、D5、S6状态续流输出能量谐振环流谐振环流后半周期区间(g)t6t7(h) t7t8(i)t8t9(j) t9t10(k)t10t11(l) t11t12导通功率管S2、S3D5、S6S2、S3S6S2、S6D6S2、S4D4、D6S4、D4、S5 D5、D6S1、D2、S4 D4、S5、D6状态续流输出能量谐振环流谐振环流1）模态：在t0时刻之前，S1、S4 和S5导通，变压器原边电流ip增加，在t0时刻，ip增加到0，t0时刻后，ip由0开始正向增加。由于此段时间内，原边电流ip折合到副边的电流小于输出滤波电感电流，因此D6导通续流，到达t1时刻，原边电流ip折合到副边的电流开始大于输出滤波电感电流。模态的等效电路如图3.10(a)所示。2）模态：t1时刻后，D6关断，S1、S4 和S5继续导通，变压器开始传递能量，到达t2时刻变压器原边电流ip达到最大值，等效电路如图3.10(b)所示。3）模态：t2时刻S4关断，电路中的电感（包括原边的漏感、谐振电感Lx和由输出滤波电感折合到原边的电感）与开关管S3和S4的并联电容（包含寄生电容）C3和C4谐振，C4充电，C3放电。因电容两端电压不能突变，S4实现零电压关断。由于输出滤波电感Lo较大，可认为ip在这段时间基本不变。到t3时刻C3两端电压下降到0，S3的寄生二极管D3自然导通。t2t3这段时间，副边功率管S5由导通变为截止，余下时间由D5导通，等效电路如图3.10(c)所示。4）模态：t3时刻D3导通，S3实现零电压导通。变压器原边电流ip通过S1和S3形成回路实现环流，ip在输出电压作用下线性下降，此阶段持续到t4时刻S1关断截止，等效电路如图3.10(d)所示。5）模态：t4时刻，由于C1两端电压不能突变，S1实现零电压关断。由于加在变压器两端电压极性反转，变压器原、副边电流均下降，并且副边电流小于输出滤波电感电流，由于电感电流不能突变，迫使D5和D6同时导通分流，随着变压器副边电压升高，S6导通。这段时间原边漏感和谐振电感与C1 、C2谐振，使C1充电、C2放电，到t5时刻C1两端电压充电到Ubus，D2自然导通。等效电路如图3.10(e)所示。6）模态：t5时刻D2导通，S2实现零电压导通。原边电流ip在-Ubus作用下线性下降，D5和S6仍同时导通，到t6时刻ip降为0，D2和D3自然关断，这一阶段结束，等效电路如图3.10(f)所示。7）模态：t6时刻开始，ip向反方向线性增加，此段时间内，原边电流ip折合到副边的电流小于输出滤波电感电流，因此D5导通续流，到达t7时刻，原边电流ip折合到副边的电流开始大于输出滤波电感电流，等效电路如图3.10(g)所示。8）模态：t7时刻后，D5关断，S2、S3 和S6继续导通，变压器开始传递能量，到达t8时刻变压器原边电流ip达到反向最大值，等效电路如图3.10(h)所示。9）模态：t8时刻S3关断，电路中的电感（包括原边的漏感、谐振电感Lx和由输出滤波电感折合到原边的电感）与开关管S3和S4的并联电容（包含寄生电容）C3和C4谐振，C3充电，C4放电。因电容两端电压不能突变，S3实现零电压关断。由于输出滤波电感Lo较大，可认为ip在这段时间基本不变。到t9时刻C4电压下降到0，S4的寄生二极管D4自然导通。t8t9这段时间，副边功率管S6由导通变为截止，余下时间由D6导通，等效电路如图3.10(i)所示。10）模态：t9时刻D4导通，S4实现零电压导通。变压器原边电流ip通过S2和S4形成回路实现环流，ip在输出电压作用下反向线性下降，此阶段持续到t10时刻S2关断截止，等效电路如图3.10(j)所示。11）模态：t10时刻，由于C2两端电压不能突变，S2实现零电压关断。由于加在变压器两端电压极性反转，变压器原、副边电流均下降，并且副边电流小于输出滤波电感电流，由于电感电流不能突变，迫使D5和D6同时导通分流，随着变压器副边电压升高，S5导通。这段时间原边漏感和谐振电感与C1 、C2谐振，使C2充电、C1放电，到t11时刻C2两端电压充电到Ubus，D1自然导通。等效电路如图3.10(k)所示。12）模态：t11时刻D1导通，S1实现零电压导通。原边电流ip在Ubus作用下反向线性下降，(a)t0t1 (b) t1t2(c)t2t3(d) t3t4(e)t4t5(f) t5t6(g)t6t7(h) t7t8(i)t8t9(j) t9t10(k)t10t11(l) t11t12图3.10后级工作模态图S5和D6仍同时导通，到t12时刻ip降为0，D1和D4自然关断，这一阶段结束，等效电路如图3.10(l)所示。图中D11、D22导通的条件在下面关键点分析中会讲到。（2）关键点分析1）零电压开关(Zero Voltage Switch, ZVS)实现条件 由原理分析可知S1 S4零电压关断是由其并联电容（包含寄生电容）C1 C4电压不能突变实现的，零电压开通是通过谐振电感（包含变压器漏感）与开关管所并联电容（包含寄生电容）产生谐振实现的。通过谐振使同一桥臂上关断的开关管所并联电容（包含寄生电容）充电，使即将导通的开关管所并联电容（包含寄生电容）放电，当充放电结束后，即将导通的开关管两端电压降为0，其寄生二极管导通，然后发出该开关管导通驱动，实现零电压导通。 所以，要实现开关管零电压开通必须满足两个条件：驱动信号必须在寄生二极管导通后发出，即同一桥臂驱动信号的死区时间必须大于所并联电容（包含寄生电容）充放电时间；谐振阶段应保证通过谐振使将要导通的开关管所并联电容（包含寄生电容）完全放电。2）副边占空比丢失占空比发生在副边整流管换流过程中，原因是原边电流折合到副边的电流小于输出滤波电感电流，迫使副边两个整流管同时导通。由图3.9可看出，占空比丢失发生在t4t7和t10t11与t0t1。副边有效占空比为：(3.13)式(3.13)中为后级开关频率，为后级全桥开关管占空比，为输出电流。3）副边寄生振荡 在