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優秀電力技術論文范文十篇

日期:2018年10月27日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:1793
論文價格:150元 論文編號:lw201810231950054952 論文字數:37481 所屬欄目:電力技術論文
論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis
本文是一篇電力技術論文,電力的產生方式主要有:火力發電(煤等可燃燒物)、太陽能發電、大容量風力發電技術、核能發電、氫能發電、水利發電等。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇電力技術論文,供大家參考。


優秀電力技術論文范文篇一



第一章 緒論


1.1引言
光纖放大器無需經過光-電-光的復雜變化過程,而直接對光信號進行放大,作為泵浦源的半導體激光器可為光信號放大供應充足的能量。光纖放大器常用的泵浦源是波長為980nm的半導體激光器[1],由于光纖放大器的放大性能取決于泵浦源的工作性能,因此泵浦源工作需可靠穩定,這對其驅動電源的設計提出了較高的要求[2-4]。本文主要為兩款不同功率等級的半導體激光器設計兩路性能穩定的恒流源驅動電路。隨著半導體激光器應用愈來愈廣泛,半導體激光電源的研發受到前所未有的關注。目前,國內并沒有形成太多成熟地相關產品[5-8],大量的半導體激光器只能依賴昂貴的進口電源維持其穩定工作[9-10]。為了降低成本,進一步提升LD在便攜場合應用度,設計一種適用于中小型功率等級的LD驅動電源已成為業界的研究重點。隨著研究的進一步深入,激光電源的功能除了能夠驅動半導體激光器穩定工作外,還提供了一系列的保護功能;能夠實現與控制系統的信息交互,及時有效的對控制系統的指令進行執行與反饋,在一定程度上提高了激光電源的智能化水平[11-13]。隨著數字控制芯片的迅速發展,利用DSP為核心的控制模塊和相應控制軟件即可實現對恒流源的程序化控制,提高了系統整機自動化程度和激光電源的輸出穩定性[14]。激光電源的研究與開發,經歷了從線性電源到開關電源的過渡,傳統的線性電源穩定性高,但是工作效率低,通常需要體積龐大的散熱裝置,限制了其在某些場合的應用[15-17];因此,目前對半導體激光器驅動電源的設計,大部分都以傳統的開關電源為基礎進行創新改進,但開關電源在開關頻率、轉換效率、電流電壓穩定度、電磁干擾特性、以及各種安全性保護方面都存在局限性,尤其在開關頻率和電流穩定度方面更是如此。半導體激光器對驅動電源的穩定度、可靠性和工作條件要求非常嚴苛,輸出電流的波動或工作環境溫度過高等異常因素都直接影響到半導體激光器使用壽命及其輸出功率的穩定度[18-20];半導體激光器驅動電源的電磁兼容也是不容忽視的問題,這可能是導致激光電源輸出不穩定的直接因素,電磁兼容水平和轉換效率在美國和歐盟均已經作為強制認證的重要指標,在國內卻并沒有得到過多的重視,因此研制出符合國際指標的高穩定性激光器驅動電源的同樣意義重大[21-23]。
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1.2半導體激光電源的國內外研究現狀
隨著電力電子技術的日益成熟,許多新型電力電子器件和技術已應用到了高穩定性的恒流源的研發中。目前,恒流源廣泛應用在激光設備、電化學、半導體測量以及傳感器技術等工業場合[24]。半導體激光電源負載,即半導體激光器雖然有較小的體積、較輕的重量,較高的轉換效率,并且可以直接進行調制等優點;但LD抗上電沖擊能力非常差,細微的波動電流就可能造成其輸出光功率產生極大變化,甚至造成泵浦源永久性損壞,導致其對電源驅動性能要求嚴苛。高穩定性的恒流源的發展趨勢為:穩定性高、功率密度大、可靠性好、體積小、工作頻率高、效率提高、電流等級大;除此之外,對于恒流源的外形尺寸和布局布線都有越來越嚴格的規范,以提升恒流源整體標準,以滿足更大的市場需求。因各方面條件所限,對于高可靠性、高穩定度的泵浦激光器驅動電源的研究,國內外已經有了相當大的差距。
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第二章 半導體激光電源的設計考慮


2.1半導體激光器的特性分析
小型半導體激光器的 PN 結是由直接帶隙的半導體材料構成,其主要是由電注入形式、高能電子束激勵式、光泵式三種激勵方式所激勵[43]。其中電注入式的激勵方式是 LD 應用最多的一種,其原理是給半導體激光器 PN 結的兩端加正向電壓,相當于一個正向偏置的二極管受到正電壓的激勵,使得 PN 結平面區域發生受激發射。為了使作為相干輻射光源的半導體激光器輸出激光,需要以下三個條件[44]:(1)建立反向有源區的載流子分布。(2)需要得到一個相干受激輻射,這樣就必須使受激輻射收到多次反饋以便在光學諧振腔的內部形成激光的振蕩。(3)激光媒質的增益要足夠大,這樣便于形成穩定的振蕩,在此前提下可以彌補光損耗及來自于腔面的輸出損耗,而逐漸增大腔內光場。向激光器注入足夠大的電流是實現上述過程的必要條件,因為較大的注入電流可以引起較大數量的粒子反轉,而反轉粒子數和增益成正比,當注入電流達到某個閾值,這時波長一定的輸出激光將在腔內發生諧振并且被進行放大,從而得到連續的輸出激光。本課題主要是針對低紋波、高可靠性的半導體激光電源的研究與設計,為了設計出應用性更好的激光電源,必須要著重考慮半導體激光器的伏安特性。半導體激光器的結構多樣,但是都是由一個諧振腔和 PN 結型二極管構成,因此當半導體激光器在未受激的情況下,其伏安特性和傳統的二極管的伏安特性相似[45],半導體激光器的等效電路如圖 2-1 所示,其中 D1 為理想的二極管,ZV1 為理想的齊納二極管。
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2.2 傳統激光電源的設計方案分析與對比
傳統激光電源拓撲的設計隨著功率等級和輸出電流的不同而有所區別,但大都是通過已有的電路拓撲和合理的外圍電路改進。常用電源電路的拓撲結構主要是線性電源和開關電源兩種電路形式[50]。其中,線性電源主要應用在功率較小,輸出電流較低,對電源效率要求不高的半導體激光器中。常用的電路拓撲如圖2-3 所示,其原理均利用全控型功率開關管在其放大區內通過電流反饋來調整輸出電流。雖然這種電源能夠保證輸出電流的穩定性,但是效率低,熱損耗大,且需要體積龐大的散熱設備,通常工作效率智能達到 50%左右[51]。開關電源的拓撲根據電路功能和電路器件的不同分為:Boost 電路、BUCK電路、Buck-Boost 電路、反激式電路、單晶體管反激式電路等,按照不同電路的應用范圍不同,列出了上述幾種電路的常用參數,如表 2-1 所示。通過上述對傳統激光電源拓撲的分析可以看出,線性電源已廣泛而成熟的應用,但傳統線性恒流源會產生較多的熱量而效率較低,一般只能達到 35%~60%。對于像半導體激光器對溫度較為敏感的元器件,為了降低溫度,避免半導體激光器過溫損壞,需要體積龐大的散熱片,因此線性電源通常體積大而笨重。因此線性電源主要應用在小功率的半導體激光器,其輸出的功率一般不超過 3W,工作電壓小于 2V,對驅動電流的穩定度要求較高,工作電流一般 0A~3A 之間連續可調。因此,線性激光電源的應用場合受到很大限制。
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第三章 半導體激光電源電路的硬件設計.... 12
3.1 BUCK 變換器的工作原理.......12
3.1.1 基本拓撲結構.....12
3.1.2 同步 BUCK 變換器的 PWM 控制電路....13
3.2 關鍵器件的選型與參數計算.............14
3.2.1 輸出濾波器的設計........14
3.2.2 SR-BUCK 開關管的選型....... 16
3.3 半導體激光電源主功率電路設計.....17
3.4 功率 PCB 板設計.......... 26
3.5 電路板 EMC 的分析與抑制....27
第四章 半導體激光電源的信號處理設計.... 29
4.1 數字信號處理系統的硬件設計........29
4.2 系統的軟件設計.............36
第五章 系統實驗平臺的搭建與測試結果分析...... 38
5.1 實驗測試及分析............38
5.2 激光電源樣機設計........45


第五章 系統實驗平臺的搭建與測試結果分析


5.1 實驗測試及分析
如圖 5-1 通道 1 為恒流源的參考電壓,通道 2 為輸出電流的暫態波形。上電初始,參考電壓為 0.7V(大于設定值 0.6V),芯片 TPS40304 處于保護狀態,電流輸出電流為 0A;電壓降到 0.6V 時,初始輸出電流為 0 A,隨著參考電壓逐漸下降,電流上升,參考電壓穩定在 0.4V 左右時,輸出電流穩定在 8 A。圖 5-4 中通道 3 為恒流源的參考電壓,可以看出參考電壓在 600m V 動態平衡,表明輸出電流保持穩定,通道 2 為恒流源 1 輸出電流穩定在 8A 的狀態下,輸出電流交流紋波,由圖可以看出交流紋波峰峰值僅為 20m A,遠遠小于激光器正常工作時所要求的 500m A。圖 5-5 所示為輸出電流為 8A 時,激光電源開通和關斷的動態過程??梢钥闯?,當總開關突然開通和關斷時,恒流源 I 沒有出現電流浪涌或關斷電流尖峰;說明恒流源工作可靠性好,有效保證半導體激光器的正常工作,避免了因突然掉電造成浪涌擊穿的現象發生。
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總結


通過利用同步降壓開關控制芯片 TPS40304、高精度采樣電阻、電壓檢測放大芯片 AD8226、功率場效應管 FDMS8320 和電流濾波器等電路,設計了本雙路恒流激光器驅動電源。輸出電流紋波系數低至 0.083%且動態特性好。通過合理的電路設計和器件選型,本電源具有軟啟動和限流保護的功能,避免了浪涌擊穿和過電流導致半導體激光器擊穿。合理的 PCB 布局,提高了系統的功率密度和整機效率,電路板發熱小,無需額外的散熱裝置,大大減小了驅動電源的體積。本電源還設計了數字控制模塊,預留了通信接口,可以實現上位機對電流的設定,并進行故障檢測與報警。本電源結構簡單,性能可靠,體積小,整機效率高,成本低廉。采用 10W 和 30W 兩種光纖激光器經現場調試和長時間實驗運行證明,兩路恒流源都能夠滿足光纖激光器對驅動電路的要求。本電源
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