大功率半導體激光驅動電源關鍵技術研究.pdf

1、大功率半導體激光驅動電源（簡稱驅動電源）是大功率半導體激光器的重要組成部分，承擔著驅動、控制、保護大功率半導體激光器的重任，其技術性能的優(yōu)劣密切關系到大功率半導體激光器系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。本文根據(jù)工業(yè)大功率半導體激光器的技術要求，對驅動電源的軟啟動、快速過流保護、恒流輸出控制以及主從機控制技術開展了相關的理論分析和實驗研究。
　　研究驅動電源的關鍵技術，需要有模擬大功率半導體激光器電氣特性的等效負載，目前現(xiàn)有的LD(Laser

2、 Diode)模型由于不包含寄生參數(shù)，無法模擬大功率LD的電氣特性。本文在分析大功率LD速率方程的基礎上，結合大功率半導體的串聯(lián)疊陣工藝特性，建立了包含寄生電感和寄生電容的大功率半導體激光器等效電路模型。仿真測試表明，該模型的V-I曲線和P-I曲線與廠家給出的測試曲線一致，可作為驅動電源的等效負載。
　　大功率半導體激光器要求驅動電源具有軟啟動功能，傳統(tǒng)的軟啟動技術的啟動電流呈非線性增長，導致實際的啟動時間與設定值之間誤差較大，多

3、臺驅動電源同時啟動時，各臺的輸出電流不同步。為此，本文提出了一種基于恒流充電的線性軟啟動技術。該技術采用恒流源對電容充電，控制電容電壓線性增加實現(xiàn)了輸出電流的線性軟啟動，從而使多臺驅動電源的啟動時間誤差大大降低。
　　目前使用較多的基于軟件關斷的過流保護技術，由于軟件濾波和相關程序運行需要耗時，使得過流保護響應時間慢。針對這一問題，本文提出了一種基于自鎖串聯(lián)截止型的快速過流保護技術，其主要由快速關斷電路和自鎖電路組成，當過流發(fā)生時

4、，其中的高速比較器會監(jiān)測到過流信號，此時 JR觸發(fā)器鎖住過流狀態(tài)，同時關斷電路快速切斷驅動電源的輸出，整個過流保護過程可以在20μs內完成。通過仿真，驗證了在啟動上電、電磁干擾和負載突變等三種因素引起過流時，所提出的快速過流保護電路可以有效可靠地關斷驅動電源。
　　小功率半導體激光驅動電源中多采用PID（Proportion Integration Differentiation）反饋恒流輸出控制技術，大功率半導體激光驅動電源中多

5、采用 PWM（Pulse Width Modulation）反饋控制恒流輸出控制技術。對這兩種控制技術進行的環(huán)路分析和傳遞函數(shù)推導表明，PID反饋控制環(huán)路可以獲得良好的恒流輸出性能，但驅動電源轉換效率低；而PWM反饋控制轉換效率高，但恒流輸出性能較差。綜合這兩種控制技術的優(yōu)點，本文提出了一種基于PID+PWM反饋控制的雙閉環(huán)恒流輸出控制技術，用PWM反饋控制電壓環(huán)，用PID反饋控制電流環(huán)，可同時獲得優(yōu)良的恒流輸出性能和較高的轉換效率。<

6、br>　　采用本文提出的線性軟啟動技術、快速過流保護技術和基于PID+PWM反饋控制的雙閉環(huán)恒流輸出控制技術研制了5臺大功率半導體激光驅動電源，單臺電源的輸出功率為10kW。驅動電源具有主從機控制功能，即所有從機的輸出電流跟隨主機的輸出，每臺驅動電源都可以被設置為主機或者從機。
　　測試表明，所研制的驅動電源啟動時電流線性增長，軟啟動時間誤差小于1ms。過流保護響應時間小于20μs。輸出電流紋波低于1％，輸出電流穩(wěn)定性小于0.04