摘 要

激光加工技术在不断提高，激光器也随之在各行各业都得到了迅速的发展。大功率CO2 激光器以其效率高、稳定性好、功率高的优势占据了主要的激光加工市场，比如：切割、焊接等。激光电源是大功率CO2 激光器的核心技术之一，随着激光产业的发展，激光电源的技术水平备受关注。

大功率CO2激光器开关电源高压电路设计是整个电源系统的心脏，他的性能是否优良，功能的是否能够达到要求直接影响激光电源的性能，从而影响激光器输出激光的稳定性和质量。

本文主要描述了大功率二氧化碳激光器的开关电源，对开关电源的主要基本组成电路进行描述。对高频变压器，整流电路，保护电路进行了设计与分析，

高压电路设计的难点也是核心的地方，是高频变压器的设计。设计的原则，绕组的设计，设计步骤，以及对于匝数的确定等等都是要对高压电源实现的前提。随后，对初级保护电路和次级保护电路进行设计，以及对三相整流电路，IGBT拓扑结构进行分析。

关键词：二氧化碳激光器、开关电源、高频变压器、整流电路、保护电路

High-power carbon dioxide laser switching power supply high voltage circuit design

Abstract

    With the development of laser processing technology, lasers in all walks of life have been rapid development. High-power CO2 laser with its high efficiency, good stability, the advantages of high power laser processing dominates the market, such as: cutting, welding. Laser power is one of the core technology of high-power CO2 lasers, with the development of the laser industry, technical level of the laser power supply concern.

    High-power CO2 laser switching power supply high voltage circuit design is the heart of the entire power system, the strength of its performance, function directly affects the performance of laser power supply, thus affecting the laser output laser stability and quality.

    This paper describes the high-power carbon dioxide laser switching power supply, the basic components of the main switching power supply circuit will be described. High-frequency transformer, rectifier circuit, protection circuit design and analysis,

Difficulties high voltage circuit design is the core of the place, is the design of high-frequency transformer. Design principles, design winding design steps, and determining the number of turns, and so the premise is to achieve a high voltage power supply. Subsequently, the primary and secondary protection circuit protection circuit design, as well as three-phase rectifier circuit, IGBT topology analysis.

Keywords: carbon dioxide laser, switching power supply, high-frequency transformer, rectifier circuit, protection circuit

目录

1 研究的背景和意义 - 5 -

1.1本课题研究的意义： - 5 -

1.2国内外研究情况 - 5 -

2 二氧化碳激光器的介绍 - 7 -

2.1激光产生条件以及特点 - 7 -

2.2二氧化碳激光器的基本工作原理 - 7 -

2.3二氧化碳激光器的发展前景和运用 - 7 -

2.3.1发展前景 - 7 -

3 大功率激光电源的工作原理 - 9 -

4 保护电路和整流电路的设计 - 11 -

4.1初次级保护电路 - 11 -

4.2 变压器次级保护电路 - 12 -

4.3三相整流电路 - 12 -

4.4 IGBT逆变原理和电路 - 13 -

4.5本章小结 - 16 -

5 高频变压器的研究 - 17 -

5.1关于变压器的介绍 - 17 -

5.2变压器原理 - 17 -

5.3变压器结构设计 - 18 -

5.4具体参数的选择 - 19 -

5.5本章小结 - 20 -

6 实物图的具体介绍 - 21 -

6.1 Lc振荡吸收板 - 21 -

结 论 - 24 -

致 谢 - 25 -

参考资料 - 26 -

附录1amp;2：激光电源硬件实物图以及原理图 - 27 -

1 研究的背景和意义

在完成本科的基础和专业课的学习，掌握基本电路设计的情况下，熟练应用protel99se等制图软件来绘制原理图与印制电路板，对高压变压器、整流电路及各种保护电路进行设计。

1.1本课题研究的意义：

本课题对大功率激光器开关电源高压电路进行了设计，其意义如下：

1、理论知识在实际中综合地运用，培养学生独立的设计能力，树立正确的设计思想；

2、熟练应用有关参考资料、手册、图册和规范，熟悉有关国家标准和部颁标准；

3、掌握机械产品设计的基本方法和步骤，完成一个工程技术人员所具备的基本技能。

4、大功率开关电源具有非常广阔的前景，在电镀电源，焊机电源及电动车充电电源等传统及新兴行业得到了广泛的研究和运用。

1.2国内外研究情况

随着特种加工技术的普及，激光技术在相关学科已变得越来越重要，激光技术已经渗透到科学的各个学科领域。国防，军工，航空和海运业是很难加工件，现在大都采用激光加工技术来解决。 30年来，激光技术和逐步发展成为医学的各个领域，并涉及许多在医学中的挑战，特别是光学泵浦YAG连续，脉冲和倍频激光器，激光医疗手术和它们的工业激光的处理，已经成为一个重要的分支。

 激光测量工具和分析仪器，激光生物医学工程和同类学科也得到了广泛的应用。几十年来，激光焊接，激光切割和工业过程中使用的热处理有了长足的进步。固态激光器和激光应用中占据重要地位。可用于材料加工，激光测距，激光光谱学，激光医疗和激光化学，特别是，以获得在精细加工所无法比拟的其他处理的优点。

固体激光器的主要特点是：

(1) 运行方式多样。可在连续、脉冲、调 Q 及锁模下运行，分别获得高平均功率、高重复率、高单 脉冲能量及高峰值功率。

(2) 能实现激光运转的固体工作物质多达数百种，激光谱线达数千条， 分布于可见 光及近红外线区。并能利用某些晶体实现倍频、三倍频、四倍频，频率可达紫外线。

(3) 固体激光器导光系统简单，制作容易。

(4) 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、价格适宜，有着广泛的应用前景。

固体激光器主要采用光泵浦。固体工作物质中的激活粒子吸收某些波段的光能。在工作物质中造 成粒子数反转，形成激光。激光器由工作物质、泵浦源、 聚光腔、光学谐振腔、激光电源等组成。在 我们这次研制的连续固体激光器工作物质选用 YAG，激光器受激辐射面大，因而它的阀值较低，适合 于连续与高重复率工作。固体激光工作物质有一个以上的吸收带（泵浦带），它们能有效地吸收泵浦光 能，量子效率高，所以固体激光器都采用光泵浦。

目前， 作为固体激光器的泵浦光源种类很多，如气体放电灯的辐射、太阳光辐射、发光二极管辐射、爆炸金属丝的辐射、惰性气体的基波发光等，在这 些泵浦源中，仍以泵浦灯最为成熟，应用最广。

激光器开关电源具有体积小、重量轻、高效节能、动态响应速度快等优点，激光器开关电源被公 认为是最有发展前途的激光电源。随着现代电力电子技术的发展，特别是 IGBT 这种功率器件的出现 与完善，发展仅 5-6 年的激光器开关电源的发展前景将更加光明。

2 二氧化碳激光器的介绍

2.1激光产生条件以及特点

(1)存在一些介质能够具有放大增益作用，他的激活离子能够用于受激辐射的能级结构

(2) 存在一些外部条件，能够实现上下能级之间的粒子能够相互翻转。

(3) 存在能够增加介质的工作长度的光学谐振腔，斌企鹅能够控制广德传播方向，提高光的单色性。

特点:亮度高，单色性好、方向性好、相干性好

2.2二氧化碳激光器的基本工作原理

　二氧化碳分子是线性对称分子，两个氧原子是碳原子的两侧，由原子的平衡位置表示。在分子中的每个原子是总是在运动，围绕其平衡位置，以不停的振动。根据分子振动理论，CO有三种不同的振动方式：①两个氧原子沿分子轴的振动，两个氧的振动相反的方向，同时实现最大振动和平衡，但这次是在分子固定碳原子，因此该振动被称为对称振动。 ②两个氧原子在垂直的方向上振动，振动和相同方向的分子轴，而在相反的方向上的碳原子是垂直于分子轴的振动。由于振动是同步的三个原子，也被称为变形振动。 ③三个原子沿振动的对称轴，其振动方向相反的碳原子和两个氧原子，也被称为反对称振动能量。在这三种不同的振动模式中，确定了不同组别的能级。

2.3二氧化碳激光器的发展前景和运用