Desenvolvimento de uma fonte para acionamento de diodos laser de alta potência

Abstract

O principal objetivo desta dissertação é o estudo e desenvolvimento de um conversor CC-CC não-isolado, destinado a alimentar diodos laser de alta potência cuja aplicação geralmente acontece na indústria metalúrgica, com tensão de entrada contínua igual a 48V, potência nominal de 900W e corrente pulsada na saída, com valores compreendidos entre zero e até 30A, frequência de até 50kHz e razão cíclica variável. O estágio de potência é constituído por um conversor buck interleaved três fases, operando com frequência de comutação igual a 500kHz e tendo a sua corrente de saída controlada por um microcontrolador, seguido por um interruptor associado em paralelo com a carga, responsável pela característica pulsada ou não da saída. São necessários componentes adicionais na saída para assegurar uma comutação adequada da corrente, prevenindo acima de tudo sobretensões nos terminais da fonte. Minuciosamente, realiza-se a análise qualitativa e quantitativa do estágio de potência, bem como a modelagem orientada para o controle da corrente. Os resultados são efetivamente validados via simulação computacional, e assim procede-se para o dimensionamento do protótipo experimental, o qual foi construído e testado com sucesso em laboratório, seguindo as especificações mencionadas acima. Detalhados e completos estudos experimentais foram realizados, servindo tanto para a validação da análise teórica, quanto para a metodologia de dimensionamento do protótipo empregada. Os objetivos do projeto foram dessa forma plenamente alcançados, e o conhecimento adquirido e relatado pode ser adotado no dimensionamento de fontes de alimentação para diodos laser de alta potência, inclusive com finalidades e especificações diferentes daquelas apresentadas neste trabalho.

Abstract: The main goal of this thesis is the study and development of a non-isolated DC-DC converter, aimed to drive high power laser diodes whose application usually happens in the metallurgical industry, with constant input voltage equal to 48V, 900W rated power and pulsed current at the output, with values between zero and up to 30A, frequency up to 50kHz and variable duty cycle. The power stage consists of a three-phase interleaved buck converter, operating with a switching frequency equal to 500kHz and having its output current controlled by a microcontroller, followed by a switch associated in parallel with the load, responsible for the pulsed or non-pulsed characteristic of the output. Additional output components are needed to ensure proper current switching, above all preventing overvoltages at the power supply terminals. Thoroughly, the qualitative and quantitative analysis of the power stage is carried out, as well as the modeling oriented to the control of the current. The results are effectively validated via computational simulation, and thus the design of the experimental prototype is carried out, which was successfully built and tested in the laboratory, following the aforementioned specifications. Detailed and complete experimental studies were performed serving both for the validation of the theoretical analysis and for the prototype's methodology used. The project objectives were thus fully achieved, and the acquired and reported knowledge can be used in the development of power supplies for high power laser diodes, even with purposes and specifications different from those presented in this work.