大功率軸快流CO2激光器射頻激勵源的研究.pdf

1、在大功率激光工業(yè)加工領域，軸快流CO2激光器由于其卓越的性能而得到了廣泛的應用。射頻激勵特性是制約軸快流CO2激光器向更高功率發(fā)展的關鍵。本文針對大功率軸快流CO2激光器的射頻激勵特性，采用數值模擬的方法分析了頻率對放電管內混合氣體放電特性的影響，通過實驗的方法研究了一種用于大功率軸快流CO2激光器的全固態(tài)射頻電源，設計了用于監(jiān)測入射、反射功率的射頻功率檢測電路，并對用于射頻功率MOS管的微通道熱沉進行了優(yōu)化設計。論文的主要內容如下：<

2、br>　　基于一維流體模型研究了不同驅動頻率對軸快流CO2激光器放電管中CO2/He/N2混合氣體射頻放電的影響。研究表明當激勵頻率從5MHz增加到45MHz時，電子密度、激發(fā)態(tài)粒子密度隨著驅動頻率的增加而增加。在此過程中，電流密度變化平穩(wěn)。模擬結果表明在頻率增加的整個過程中管內放電均處于穩(wěn)定的α放電模式。隨著激勵頻率的增加，放電管內鞘層區(qū)域的電場強度、電子溫度和等離子體區(qū)的長度均有增加，鞘層厚度減小。模擬結果還表明在整個放電過程中，電

3、子的產生率貫穿了放電空間并在鞘層區(qū)出現峰值，這進一步解釋了管內放電是處于穩(wěn)定的α放電模式，并為射頻電源設計時頻率的選擇提供了理論依據。
　　依據大功率軸快流CO2激光器對射頻電源的要求，設計了頻率為13.56MHz的全固態(tài)射頻電源。為保證功率放大電路正常、有效的工作，設計了兩路獨立占空比可調的驅動電路板。為實現高效的功率輸出，Class D的拓撲結構被用于功率放大電路的設計。為使功率放大電路的開關損耗降至最低，對上、下功率開關管的

4、死區(qū)時間做了特殊的設定。為適應標準50?的阻抗輸出，設計了對應的阻抗匹配電路。最后對制作的電源樣機進行了實驗。
　　依據功率 MOSFET正常工作時對散熱性能的要求，為進一步縮小散熱熱沉的體積，采用數值模擬的方法對矩形凹槽結構的微通道熱沉進行了優(yōu)化設計。對矩形凹槽角度、凹槽間距和微通道中左、右凹槽的交錯距離變化時，微通道熱沉內的流動與傳熱特性進行了分析。還對兩種不同種類、濃度的納米流在矩形凹槽微通道熱沉中的散熱情況進行了數值模擬。