大功率LD泵浦激光器驅(qū)動電源能量管理策略

初 華，孫 斌，黎 偉，萬 強，曹海源，韋尚方，田方濤

(武漢軍械士官學(xué)校 光電技術(shù)研究所，湖北 武漢430075)

1 引言

近年來，隨著大功率激光二極管(LD)固體激光器的快速發(fā)展，其應(yīng)用變得十分廣泛，如大功率泵浦源、激光刻標(biāo)、激光切割等［1－3］。作為實現(xiàn)高能激光的前提和基礎(chǔ)，激光器驅(qū)動電源技術(shù)已經(jīng)成為高能激光的重要核心技術(shù)［4］。但是受電光轉(zhuǎn)換效率的制約，驅(qū)動電源的電能量最多只有60%～70%可以轉(zhuǎn)換為激光能量輸出［5］，剩余的能量均以熱能的形式耗散。對于已經(jīng)設(shè)計完成的激光器而言，本身的電光轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)固定，只有提高驅(qū)動電源的電能輸入，才能增加激光的能量輸出。因此，大功率LD固體激光器驅(qū)動電源的能量管理策略十分重要，其根本要求是盡量減少電路自身的損耗，增加LD的功率輸出，滿足大功率的要求［6］。針對這一要求，驅(qū)動電源多采用能量壓縮技術(shù)與電流串聯(lián)負反饋相結(jié)合，在激光器空閑時間內(nèi)，利用儲能元件積累能量，然后通過開關(guān)器件將能量快速地釋放，LD上便可得到峰值電流很大、脈寬很窄的電流脈沖，以此獲得大功率輸出［7］。能量管理策略即是通過對儲能元件、開關(guān)器件、電流采樣、放電回路等單元的設(shè)計和控制，實現(xiàn)低損耗、高輸出的要求，優(yōu)化能量管理策略對于大功率高能激光器的實現(xiàn)及應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 系統(tǒng)原理

激光器驅(qū)動電源主要包含幾個部分:能量源、儲能元件、開關(guān)元件、采樣元件、放電單元等。其基本原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig．1 Structure of system elements

為實現(xiàn)激光器驅(qū)動電源高功率輸出的要求，必須將電源的等效內(nèi)電阻降到最低。激光二極管陣列所需的電壓是直流電壓，而市電為220 V、50 Hz的交流電，要保證激光器的輸出，需要將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，因此選用大功率、高效率的AC/DC電源作為能量源。儲能元件的作用是將能量存儲起來，在每次脈沖中，將所存儲的能量轉(zhuǎn)換成泵浦能量釋放出來。儲能元件多選用電容元件，為滿足大功率的要求，其容值多在10000μF以上，但是單個電容的容值增大，體積也會增大，故在實際使用中多采用數(shù)個小電容并聯(lián)的形式。然而采用并聯(lián)方式，電容的等效內(nèi)阻及最大充放電量均會發(fā)生變化，其并聯(lián)電容的數(shù)量及工作方式均會影響驅(qū)動電源的能量管理策略，故選擇合適的方案十分重要。開關(guān)器件是高壓觸發(fā)脈沖啟動的開關(guān)，通過開關(guān)器件，能量將從電容中轉(zhuǎn)移出來，開關(guān)的頻率及時間長度，決定了脈沖的頻率及寬度，然而開關(guān)器件自身也有內(nèi)阻，內(nèi)阻雖然很少，但是對于激光二極管驅(qū)動陣列而言，其阻抗不可忽略，尤其是在100 A左右的大電流情況下，開關(guān)器件本身的壓降不可忽略。為了盡可能減少開關(guān)器件的損耗，提高能量利用率，開關(guān)器件的選型和控制尤為重要。采樣電阻的阻值必須盡可能的小，而且感抗要近似為0，隨溫度變化系數(shù)也要小。激光二極管陣列自身的導(dǎo)通阻抗很小，采樣電阻與其串聯(lián)，電阻上的電壓變化即可反應(yīng)LD中的電流變化，通過電流串聯(lián)負反饋技術(shù)，便可精確控制LD輸出的電流。為使能量轉(zhuǎn)換效率最大，采樣電阻的阻值及選型十分重要。

綜上所述，驅(qū)動電源中能量管理策略涉及到整個驅(qū)動電路的每個單元，一些微小的參數(shù)都不可忽略。為提高能量利用率，降低電路自身損耗，提高功率輸出，電路中的每個單元都需要根據(jù)激光器的參數(shù)要求進行設(shè)計，其參數(shù)如表1所示。

表1 激光器的性能參數(shù)指標(biāo)Tab．1 Performance parameters of laser

3 儲能元件的控制

電容具有功率密度大、充電時間短、使用壽命長、充放電效率高等優(yōu)異特性，是一種廣泛使用的儲能元件［8］。利用電容的儲能特性完成能量壓縮，是實現(xiàn)大功率LD激光器驅(qū)動電源的有效途徑。所謂能量壓縮技術(shù)［9］就是將能量源的能量在空間和時間上的壓縮。在空間上的壓縮是指電路利用空閑時間段對儲能電容進行充電，使其具有足夠的能量以增加存儲的能量體密度;在時間上的壓縮是指電路在工作時間段，儲存的能量以瞬時釋放的方式給LD供電，LD上便可得到峰值電流很大、脈寬很窄的電流脈沖。

3．1 電容容值的計算

由阻容電路的充放電函數(shù)可知:

其中，V0為電容上的初始電壓值;V1為電容可充到或放到的電壓值;Vt為電容t時刻的電壓值;R和C為阻容電路的電阻和電容值;exp()函數(shù)為以e為底的指數(shù)函數(shù);ln()函數(shù)為以e為底的對數(shù)函數(shù)。

可以求出放電時要滿足放電時間t的電容C=tp/(R×ln［V0/Vt］)。由表1可知，激光器最大脈沖寬度為500μs，脈沖過程中只允許儲能電容有10%的壓降，以適應(yīng)LD電流的要求，故V0/Vt為1．11。電路總阻抗R與激光二極管阻抗RD、開關(guān)器件阻抗RM、采樣電阻及線路、電線、電容的總阻值RL相關(guān)，即總阻抗R=RD+RM+RL，RD、RM、RL的確定與器件的選型及電路的設(shè)計有關(guān)。電容容量按照最大設(shè)計的原則，電路總阻抗R≈2Ω。

因此，滿足最大放電時間的最小電容容量Cmin=t/(R×ln［V0/Vt］)，代入tp=500μs，R≈2Ω，V0/Vt≈1．11，可得Cmin=2373μF。

儲能電容容量的確定除了要滿足激光器脈沖寬度的要求外，還要滿足激光器輸出能量的要求。激光器設(shè)有m個激光二極管陣列泵浦，每個陣列有n個靶條，所有的陣列和靶條都是串聯(lián)的，串聯(lián)電流為Id，每個靶條的壓降Vd為1．8 V，輸出功率Pd為100 W，脈沖寬度為tp。故激光器能量為Jd=m×n×Pd×tp，實際工作中m×n=160，tp=500μs，故Jd=8 J。

電容從時間t1到t2釋放的能量為:

每個靶條壓降Vd為1．8 V，160個靶條的總壓降，即LD的電壓為288 V。即Vt2=280 V，壓降仍按照10%的要求，故Vt1=310 V。因此，滿足激光器輸出能量要求的最小電容容量Cmin=2 WC/(Vt22－，可得Cmin=903．95μF。

由最大放電時間和最大輸出能量確定的最小電容可知，儲能電容的容量至少要2500μF以上。上述結(jié)論是建立在LD允許壓降10%得出的，在實際使用中，為保證LD電壓變化在1%左右，電容往往要遠大于以上值，多選用12000μF。

3．2 充電限流電阻的計算

儲能電容在初始時刻電壓值V0為0，如果將電壓很高(400 V)的直流電源直接加在電容兩端，充電電流將會很大，很可能直接發(fā)生爆炸。因此，電容充電過程必須加限流電阻，如圖1所示。由表1可知，LD的重復(fù)頻率最高可達到50 Hz，能量壓縮技術(shù)要求儲能電容在空閑時間內(nèi)充電，設(shè)重復(fù)頻率為f，則充電時間，由阻容電路的充放電函數(shù)可得，充電時間:tc=RC×ln［V1/(V1－Vt)］，故:

隨著電容兩端電壓的逐漸增大，充電電流逐漸減小，所以起始時刻的充電電流最大。起始時刻電容兩端電壓為0，故直流電源電壓直接加在限流電阻上，電阻瞬時功率計算為

雖然時間很短，但是現(xiàn)有的電阻很難做到如此大的功率。因此，要控制直流電源的輸入電壓，使電容兩端電壓緩慢上升。即整個電路在剛上電的過程中以10 V/s的頻率緩慢升壓，使儲能電容緩慢充電，待正常工作后，由于選用10000μF的電容，電容放電造成的壓降很少，按1%計算，充電時也只有1%的電壓加在限流電阻的兩端，此時電阻的功率只有:

因此只用一個小的50 W的功率電阻即可實現(xiàn)，這也是選用12000μF這一遠大于理論計算電容容值的原因。

3．3 電容連接方式的設(shè)計

為實現(xiàn)10000μF容值的大電容，可以有兩種方式，一種是體積容量很大的單體電容，另一種是將數(shù)個小電容通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式形成的組合電容，兩種電容如圖2所示。對于理想電容而言，二者都能滿足容量的要求，但是在實際使用過程中，電容都具有內(nèi)阻，該內(nèi)阻在電容充放電過程中的能量損耗，尤其是在電容充放電開始時刻，由于電流很大，該內(nèi)阻造成的損耗就不可忽略。LD驅(qū)動電源能量管理策略要求電路損耗降到最低，必須通過合理的設(shè)計，實現(xiàn)低損耗、高輸出的要求。單體電容和組合電容的等效電路如圖3所示。

圖2 儲能電容Fig．2 Energy storage capacitance

圖3 電容的等效電路Fig．3 Equivalent circuit of capacitance

由圖3可知，對于單體電容而言，電容輸出Uo=Uc+Id·R1，R1為電容的內(nèi)阻，主要由電極內(nèi)阻、溶液內(nèi)阻和接觸電阻組成。組合電容是將n個小容量單體電容并聯(lián)工作，Id=I1+I2+……+In，(近似認為每個單體電容的內(nèi)阻特性相同)。由兩式可以看出，并聯(lián)方式可以降低內(nèi)阻壓降和內(nèi)阻損耗，尤其是當(dāng)Id比較大的時候，組合電容的壓降和損耗可以將電容效率達到最大值，因此，電容的連接方式應(yīng)選用單體電容并聯(lián)成大的儲能電容的形式。

4 開關(guān)器件的控制

開關(guān)器件大多選用壓控型功率半導(dǎo)體器件，例如金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。其作用是通過改變半導(dǎo)體器件的柵極電壓來改變LD的電流，產(chǎn)生所需要的電流波形。為了將不可避免的電路損耗降到最低，實現(xiàn)能量管理策略的要求，開關(guān)器件的損耗必須降到最低。開關(guān)器件的功耗由通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開通損耗和關(guān)斷損耗組成。開關(guān)器件關(guān)斷后相當(dāng)于開路，故斷態(tài)損耗可以忽略。以IGBT(SKM100GB12T4)為例，分別討論各種損耗。圖4為IGBT等效電路圖。

圖4 IGBT的等效電路Fig．4 Equivalent circuit of IGBT

4．1 通態(tài)損耗

由圖5可見，IGBT的C極和E極通態(tài)飽和壓降VCE(on)是一個變量，其值與集電極電流IC，器件結(jié)溫Tj，以及柵極電壓VGE有關(guān)。通態(tài)功耗Pon=IC×VCE(on)，當(dāng)Tj=25℃，IC=150 A時，VCE(on)=2．3 V。由此可計算出通態(tài)功耗Pon=345 W，能量為

Pon×tp≈0．2 J。

圖5 VCE與IC關(guān)系圖Fig．5 Relation of VCE and IC

由VCE(on)和IC可以近似計算出IGBT的等效阻抗RIGBT=VCE(on)/IC，仍在25℃條件下，可計算RIGBT=0．015Ω。若采用功率MOSFET作為開關(guān)器件，其等效的阻抗RDS=0．2Ω左右，具有很高的電阻率，尤其是相對于LD而言，阻抗大，功耗也會增大。但是MOSFET的開關(guān)頻率快、輸入阻抗高，因此，在選用開關(guān)器件時，當(dāng)開關(guān)頻率不是很快的情況下(＜50 Hz)，多選用IGBT作為開關(guān)器件。

4．2 開關(guān)損耗

由于IGBT器件存在米勒電容，柵極和發(fā)射極之間、柵極和集電極之間都可以等效為一個電容，在IGBT開通和關(guān)斷期間，集電極與發(fā)射極之間會產(chǎn)生很高的電壓變化dv/dt，該dv/dt會通過米勒電容在柵極產(chǎn)生脈沖電壓，如果柵極脈沖電壓超過柵極閾值電壓，IGBT將會瞬時開通，此時其相對的IGBT處于開通短路狀態(tài)，形成瞬時短路電流，該電流增加了器件損耗，降低了運行可靠性。此電流在空載時最嚴(yán)重，因為dv/dt最大。因此要設(shè)計低阻抗的柵極驅(qū)動電路和盡可能短的驅(qū)動電路布局，而且柵極加－5～－15 V的負偏壓，減小關(guān)斷損耗。

由圖6可以看出，IGBT的開關(guān)損耗與柵極電阻RG有關(guān)，電阻增大，UGE前后沿變緩，IGBT開關(guān)過程延長，開通損耗增加。單當(dāng)RG太小時，可導(dǎo)致IGBT柵極、發(fā)射極電壓振蕩，集電極di/dt增加，引起IGBT集電極產(chǎn)生尖峰電壓，增大器件損耗，并可能使IGBT損壞。因此，應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關(guān)頻率選取RG值，并應(yīng)在IGBT柵極和發(fā)射極之間并聯(lián)阻值為10 kΩ左右的RGE［10］。

圖6 開關(guān)損耗與IC、RG的關(guān)系Fig．6 Relation of between on－off wastage and IC/RG

5 采樣電阻和放電電阻

采用電流串聯(lián)負反饋技術(shù)的驅(qū)動電源，采樣電阻必須是無感精密電阻。采樣電阻上的電流變化，引起電壓的變化，電壓經(jīng)過運算放大器與參考電壓比較后形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，以此控制IGBT柵極電壓，從而使LD放電回路的電流保持恒定，改變參考電壓就可改變LD電流。普通的電阻不可避免的會有寄生電感，當(dāng)電流發(fā)生變化時，電阻兩端電壓就會產(chǎn)生振蕩，采樣就會不準(zhǔn)，因此，采樣電阻必須采用無感電阻。電阻阻值相對于LD負載而言不能太大，其典型值為0．01Ω，因此采樣電阻本身的功耗可以計算為PR=Id2×R×tp=150 A2×0．01Ω×500μs=112．5 mW。故采樣電阻本身功耗很小。

放電電路是為了保護IGBT及LD，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，IGBT無法關(guān)斷，儲能電容上的所有儲存能量都轉(zhuǎn)移到LD上，由于儲存能量是單脈沖能量的許多倍，發(fā)生這種故障時，耗散熱足以融化LD陣列組連接到散熱器上的焊料，時間足夠長的話，將會燒掉激光二極管組件。因此必須加放電回路，當(dāng)檢測到IGBT無法關(guān)斷時，及時通過MOSFET管和放電電阻將儲存在電容上的電放掉，保護IGBT和LD。此時，電容儲存的能量完全以熱能的形式耗散在放電電阻上。放電電阻的耗散能量等于儲能電容儲存的能量，放電電阻可選用一個50 W/50Ω的水泥電阻放電。

6 電源測試結(jié)果分析

電源能量管理策略要求電路自身損耗最少，能量轉(zhuǎn)換效率最高。激光二極管的能量為:

從儲能電容中得到的能量為:

儲能電容:

因此可計算能量利用率:

其中，R為電路總阻抗;R=Rd+RM+RL，ΔV=V1－V2為電容的壓降。式中右邊第一項Rd/R為電路損耗的極限，在一個激光器電源設(shè)計完成后，內(nèi)阻抗相對于LD負載阻抗越小，其能量利用率越高。式中第二項表示電容壓降ΔV越小，其值越接近于1，能量利用率可達到極限效率。因此提高能量利用率的方法為降低電源內(nèi)阻，降低電容壓降。

表2所示為試驗數(shù)據(jù)，其中，采用的電容容量為12000μF，脈沖時間為500μs。

試驗過程中測量值最小分辨率為1 V，存在一定的誤差，但可以看出，隨著LD電流的增大，其需要的能量也增多，電容的壓降也相應(yīng)增大，以釋放更多能量滿足負載要求，電源效率可達到88%以上。

表2 實驗數(shù)據(jù)Tab．2 Experiment date

7 結(jié)論

針對大功率LD驅(qū)動電源對能量管理的要求，文中對儲能電容元件、開關(guān)元件、采樣電阻和放電電阻進行了詳細地研究。分別對電容容量、充電電阻阻值、電容連接方式進行了仔細設(shè)計，對開關(guān)元件各種損耗進行了詳細計算，對采樣電阻、放電電阻進行了細致分析，最后經(jīng)過試驗驗證，計算出電源的能量轉(zhuǎn)化效率，能量利用率可達到88%以上。采用此能量管理策略研制的大功率LD驅(qū)動電源在6路相干合成固體激光器中得到很好的應(yīng)用，如圖7所示，實現(xiàn)了35 J的高能輸出，能量利用率得到大幅提高。下一步將研究大功率LD驅(qū)動電源陣列的能量管理策略，實現(xiàn)陣列電源的多路輸出，提高能量轉(zhuǎn)換效率，并努力在工程實踐中實現(xiàn)應(yīng)用。

圖7 實物圖Fig．7 practicality picture

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