以野外环境作为应用背景，针对光纤激光器的供电需求，对大功率光纤激光电源系统进行设计与实现。从光纤激光器中的泵浦源结构以及工作特性角度对光纤激光器的供电需求进行分析，并建立了柴油发电机组的数学模型，利用Simulink仿真得到光纤激光器加入系统时柴油发电机组输出电能的变化情况；对高能光纤激光电源系统的总体结构进行设计，并对其中的恒流源模块、主控制模块等主要模块进行分析与设计。分析并提出了并联功率补偿策略；对光纤激光驱动电源的软硬件进行设计与实现，通过实验测试激光驱动电源的性能，并验证其可行性；最后对功率补偿装置中的储能元件进行选型，并设计其放电电路拓扑。搭建了高能光纤激光电源系统的Simulink仿真模型，验证高能光纤激光电源系统的可行性。
单模光纤激光器的稳定输出功率很难达到1000W以上，所以目前1000W光纤激光器是业界中使用最为广泛的单模光纤激光器，如果想要得到更高功率的激光输出，则需要通过激光合束技术将多个1000W单模光纤激光器的激光输出进行整合。本课题中，使用4个1000W光纤激光器通过合束的方法得到4000W激光输出，其中使用的1000W光纤激光器的泵浦源阵列结构示意图如图2.1所示。
图2.1 光纤激光器泵浦源结构示意图
图2.1中，整体1000W光纤激光器由5路泵浦源阵列并联组成，每一路泵浦源阵列，又由5个泵浦源串联组成，每一路泵浦源阵列输出功率为400W~500W，之后每个泵浦源输出的泵浦光再经过光学谐振腔，最终输出激光功率达到1000W。
4000W光纤激光器供电需求如表2.1所示。
表2.1 4000W光纤激光器供电需求
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指标名称 |
范围 |
单路泵浦源阵列输入电流范围 |
DC10A~13A |
单路泵浦源阵列输入电压范围 |
DC40V~45V |
电流噪声峰峰值 |
≤50mA |
控制模式 |
外部信号控制 |
恒流源模块数量 |
20
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恒流源模块应选用线性恒流源来减小输出电流的噪声。恒流源电路是由差分放大电路，前置驱动电路，以及恒流输出电路组成。采用三极管分压的形式控制恒流输出。
通过对几种影响因素的分析，得出以下结论：在直接影响因素中，运算放大器自身参数带来的误差对激光器恒流源稳定度的影响无法通过负反馈减小，可以使用失调电流、失调电压以及温度漂移系数等参数小的运算放大器以减小其本身误差对恒流源带来的影响。基准电压Vref的变化直接影响恒流源输出精度。因此需要设计稳定性良好的基准电压Vref。负载等效电阻RL、三极管QZ1以及采样电阻RT1对输出电流稳定度的影响皆与电路的放大倍数有关，电路的放大倍数越大其影响越小，但如果放大倍数太大，电路容易产生振荡，所以设计时也须结合具体指标综合考虑。另外由于电路的输出电流大，MOS管的功耗就越大，MOS管的选型以及散热就显得至关重要。同时，在实际设计电路时要选择热阻合适的器件，采取相散热措施，尽可能提高恒流源输出电流的稳定性。
功率补偿
由于柴油发动机组的输出电压变化相较于有功负载的变化是滞后的，为此在引入电压闭环反馈的同时，增加基于直流侧有功电流I的前馈，作为滞后 矫正，共同调节有功补偿电流IC
图3.8 功率补偿子系统原理框图
由图3.8可知，当∆u＞0时，柴油发动机输出电压下降，有功负载增加，直流侧有功电流I增加，此时IC＞0输出补偿电流，补偿激光器所需能量。∆u=0时，即柴油机输出电压稳定，则要求补偿器退出系统。
上位机监控界面（部分）
实验平台
电流噪声峰峰值 0.9mA
样机
功率补偿
补偿前后转速对比
补偿前后输出功率对比
补偿后负载端电压
