大功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源（簡稱驅(qū)動電源）是大功率半導(dǎo)體激光器的重要組成部分，承擔(dān)著驅(qū)動、控制、保護(hù)大功率半導(dǎo)體激光器的重任，其技術(shù)性能的優(yōu)劣密切關(guān)系到大功率半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的技術(shù)要求，對驅(qū)動電源的軟啟動、快速過流保護(hù)、恒流輸出控制以及主從機控制技術(shù)開展了相關(guān)的理論分析和實驗研究。
　　研究驅(qū)動電源的關(guān)鍵技術(shù)，需要有模擬大功率半導(dǎo)體激光器電氣特性的等效負(fù)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(chǔ)上，結(jié)合大功率半導(dǎo)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(dǎo)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(qū)動電源的等效負(fù)載。
　　大功率半導(dǎo)體激光器要求驅(qū)動電源具有軟啟動功能，傳統(tǒng)的軟啟動技術(shù)的啟動電流呈非線性增長，導(dǎo)致實際的啟動時間與設(shè)定值之間誤差較大，多

3、臺驅(qū)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(shù)。該技術(shù)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(qū)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(guān)斷的過流保護(hù)技術(shù)，由于軟件濾波和相關(guān)程序運行需要耗時，使得過流保護(hù)響應(yīng)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(hù)技術(shù)，其主要由快速關(guān)斷電路和自鎖電路組成，當(dāng)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(guān)斷電路快速切斷驅(qū)動電源的輸出，整個過流保護(hù)過程可以在20μs內(nèi)完成。通過仿真，驗證了在啟動上電、電磁干擾和負(fù)載突變等三種因素引起過流時，所提出的快速過流保護(hù)電路可以有效可靠地關(guān)斷驅(qū)動電源。
　　小功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源中多采用PID（Proportion Integration Differentiation）反饋恒流輸出控制技術(shù)，大功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源中多

5、采用 PWM（Pulse Width Modulation）反饋控制恒流輸出控制技術(shù)。對這兩種控制技術(shù)進(jìn)行的環(huán)路分析和傳遞函數(shù)推導(dǎo)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(qū)動電源轉(zhuǎn)換效率低；而PWM反饋控制轉(zhuǎn)換效率高，但恒流輸出性能較差。綜合這兩種控制技術(shù)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(shù)，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(zhuǎn)換效率。<

6、br>　　采用本文提出的線性軟啟動技術(shù)、快速過流保護(hù)技術(shù)和基于PID+PWM反饋控制的雙閉環(huán)恒流輸出控制技術(shù)研制了5臺大功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源，單臺電源的輸出功率為10kW。驅(qū)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(qū)動電源都可以被設(shè)置為主機或者從機。
　　測試表明，所研制的驅(qū)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(hù)響應(yīng)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