用于高壓電氣設備監測裝置的激光發生器*

林海藝，何國華，莫瓊鋒，黎 麗，黃俊潮，陳 晨

(1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，長春 130061；2.廣東電網有限責任公司 清遠陽山供電局，廣東 清遠 513100)

近年來，眾多電網研究單位已提出了高壓電氣設備在線監測裝置供電技術，例如，電池供電、電磁諧振、電容分壓以及溫差發電等供電方式，但是這些供電技術均存在一定的局限性[1].由于量子級聯激光器(QCL)的激光供電方式不受被測對象的負荷影響，供電穩定性較高，已被廣泛應用.激光供電發生器作為激光供電系統的核心，其性能優劣直接影響高壓電氣設備監測裝置的穩定性.

目前，國內外的多家科研院所和高等院校紛紛展開對QCL供電發生器的設計研究，其中，設計較成熟能夠實現產品商品化的廠商以美國Wavelength公司和上海昕虹光電為代表[2].雖然上述激光器供電發生器驅動電流最大可達到10 A，也具備一定的脈沖電流輸出能力，但是脈沖驅動寬度均處于微秒量級.對于當前QCL需要納秒級驅動能力的需求無法滿足.

因此，為了滿足QCL激光器對其驅動電流提出高速的要求，設計并研制了高穩定納秒級激光供電發生器.通過對中心波長為7.5 μm的QCL進行驅動性能測試實驗，結果表明，該激光器供電發生器能為高壓電氣設備監測裝置在電網中的穩定運行提供保障.

1 激光供電發生器硬件設計

激光供電發生器由主控制器單元、脈沖信號發生單元、壓控恒流源單元和保護電路單元組成.結構框圖如圖1所示.

圖1 激光供電發生器

主控制器單元采用美國德州儀器(TI)公司生產的專業數字信號處理器TMS320LF28335.脈沖信號發生單元可產生幅度、周期以及占空比均可調節的脈沖信號.壓控恒流源單元采用線性深度負反饋，通過脈沖信號實現對驅動信號幅值及脈沖寬度的調節[3].保護電路單元可以為QCL提供過流、過壓以及靜電保護，防止其因上述原因造成不可恢復的損傷，保證QCL穩定運行[4].

1.1 脈沖信號發生單元

脈沖信號發生單元如圖2所示.主控制器為TMS320LF28335，該處理器的最高額定工作頻率為150 MHz，利用其內部增強型PWM模塊產生高速的脈沖信號，作為高速模擬開關的切換信號，最窄的輸出脈沖寬度約為6.7 ns.模擬通道0(電平為0 V)的輸入電壓是地電位0 V，用以關斷MOSFET的導通.模擬通道1的輸入電壓由輸出精度為16位數字模擬轉換器(DAC)提供，用于設定MOSFET導通電壓的大小，進而控制負載電流的大小.TMS320LF28335處理器產生的高速PWM信號對兩路輸入的模擬通道進行快速切換，產生高精度周期、占空比和電壓幅值均可調的脈沖信號.為了實現高速脈沖信號的放大處理，系統選用高速電流反饋型運算放大器對模擬開關輸出信號進行放大處理，最終脈沖信號的幅度由DAC的輸出電壓和高速脈沖放大電路兩部分共同決定.

圖2 脈沖信號發生單元框圖

1.2 壓控恒流源單元

壓控恒流源單元原理框圖如圖3所示.

圖3 壓控恒流源單元框圖

壓控恒流源是以運算放大器U1為核心構成的線性深度負反饋電路.由于運算放大器U1反向端輸入阻抗無窮大，所以流經QCL的驅動電流全部通過電阻R2.根據運算放大器U1同向端和反向端虛短原理，電阻R2兩端產生電壓與運算放大器U1同向端(脈沖輸入)信號幅值一致.然后經過運算放大器U1對兩端信號進行差動放大驅動MOSFET Q1，從而通過調節脈沖輸入信號幅值實現對驅動QCL電流大小的控制[5-10].電阻R1和二極管D1組成加速電路，可以加速MOSFET Q1的開關速度.根據上述原理可得

(1)

式中：I為QCL驅動電流；Vpluse為脈沖電壓幅值.

1.3 保護電路單元

靜電累積通常會損壞激光器，因此，防靜電處理一直是激光器驅動電流的重點，QCL也不例外.此外，驅動電源在上電過沖不可避免地會產生瞬態高壓，其電壓值遠高于QCL的導通電壓，會對其造成致命傷害[11-12].因此，電路處理需要對QCL的電壓端與地之間并聯大功耗的瞬態抑制二極管(TVS)，為了達到最好的抑制效果，瞬態抑制二極管的位置與電源輸出端口越近越好[13-14].

2 激光供電發生器軟件設計

雖然激光發生器采用線性深度負反饋電路組成壓控恒流源單元，較好地解決了發生器非線性問題.但是由于MOSFET本身的非線性特性，為了進一步提升發生器線性度，在軟件設計方面采用分段函數方式對MOSFET傳輸特性函數進行擬合[15].分段擬合函數分別為洛倫茲函數、數理邏輯函數、多項式函數和E指數函數，如表1所示.

表1 分段擬合函數

采用四種函數模型得到的電流表達式為

(2)

(3)

ID=-134.497 63+56.906 67VGS-

(4)

ID=exp(18.597 86-9.010 45VGS+

(5)

式中：ID為漏極電流；VGS為柵源電壓.

MOSFET傳輸特性分段擬合結果如圖4所示.

圖4 MOSFET特性擬合曲線

當VGS≤ 4.27時，采用洛倫茲函數進行擬合，如圖4中紅色數據標記.當4.27

3 激光發生器驅動性能實驗

3.1 最窄脈寬驅動電流實驗

采用阻值為2 Ω的QCL假負載作為驅動對象，測試結果如圖5所示，其中，驅動脈沖寬度為15 ns，驅動電流為9 A.

圖5 驅動脈沖波形圖(2 Ω假負載)

3.2 電流穩定性能實驗

為了測試激光發生器驅動電流穩定性能，采用與QCL特性一致的負載作為被驅動對象，負載阻值為2～20 Ω.驅動電流設定值為10 A，脈沖寬度為15 ns，得到驅動電流真實值、脈寬持續時間以及上升/下降時間，測試結果如圖6所示.

由圖6a可知，10次驅動電流平均值為10.000 3 A，與平均值相比最大偏差值為10.000 7 A，因此，驅動電流穩定性優于4.0×10-5.由圖6b可知，10次脈沖持續時間平均值為4.775 ns，與平均值相比最大偏差值為4.785 ns，因此，脈沖持續時間穩定度優于2.0×10-3.由圖6c可知，0次上升/下降沿時間平均值為5.737 ns，與平均值相比最大偏差值為5.742 ns，因此，上升/下降沿時間穩定度優于1.0×10-3.

圖6 驅動脈沖測試結果

3.3 QCL驅動測試

采用發光波長為7.5 μm的中紅外QCL作為負載，驅動周期為200 μs，脈沖寬度為 2 μs，測試結果如圖7所示.

圖7 QCL功率曲線圖

當驅動電流增至1 000 mA時，QCL開始發光.當驅動電流達到1 700 mA時，QCL激射功率達到頂峰.隨著驅動電流繼續增加，QCL發光功率開始降低.

采用紅外傅里葉光譜儀對QCL激射光譜進行測量，結果如圖8所示.

圖8 QCL發光光譜

實驗中驅動周期為200 μs，脈沖寬度為2 μs，驅動電流為1.4 A.通過調節QCL工作溫度來控制其發光波長.

4 結 論

采用DSP和模擬PID控制技術所研制的激光供電發生器能夠長時間(大于100 h)驅動QCL.本激光供電發生器最窄驅動脈沖寬度為15 ns，峰值驅動電流為20 A，脈沖上升/下降時間小于5 ns，為高壓電氣設備監測裝置在電網中的穩定運行提供保障.