高功率脉冲半导体泵浦激光器阵列电源的设计*

孙 斌，初 华，黎 伟，曹海源，丁方正，韦尚方

（武汉军械士官学校 光电技术研究所，湖北 武汉430075）

高功率脉冲半导体泵浦激光器阵列电源的设计*

孙 斌，初 华，黎 伟，曹海源，丁方正，韦尚方

（武汉军械士官学校 光电技术研究所，湖北 武汉430075）

为满足高功率脉冲半导体泵浦激光器相干合成的特殊需要，设计6路同步输出的电源阵列，实现了工作电压0～400 V自适应调整、工作电流0～1 200 A、脉冲宽度 200 μs～1 000 μs、重复频率1 Hz～20 Hz均可任意调整的高电压、大电流脉冲输出。在保证技术指标实现的同时，着重解决阵列电源的同步输出、电压自适应和可靠性保护等问题。试验结果表明，该阵列电源的同步一致性可达到99%，输出电流精度达到0.1 A，已在“六路激光相干合成”研究中得到应用。

阵列电源；同步输出；电压自适应；脉冲电源

0 引言

半导体泵浦激光器具有转换效率高、输出光束质量好、性能可靠、寿命长等优点，在激光领域得到越来越广泛的应用[1-2]。在军事应用上，高功率脉冲半导体泵浦激光器在激光测距、激光制导、激光雷达甚至激光武器等方面具有重要的应用前景，已成为各国研究的热点[3]。作为半导体泵浦激光器的重要组成部分，其驱动电源的研制也成为重要的核心技术[4]。与连续半导体激光器相比，脉冲半导体激光器驱动电源不仅涉及到电流的恒定与大小，而且要具有脉冲宽度、重复频率、脉冲形状、过冲控制、各种异常保护等功能，设计难度和复杂度大大增加。目前，较为成熟的脉冲半导体激光器驱动电源一般工作电压在300 V以内，工作电流在250 A以下[5]。

在激光相干合成技术的研究中，为实现6台脉冲半导体泵浦激光器并联工作，激光器阵列电源的总体技术指标要达到：工作电压 0～300 V自适应调整、工作电流0～1 200 A、脉冲宽度 200 μs～1 000 μs、重复频率 1 Hz～20 Hz均可任意调整的高电压、大脉冲电流输出。

1 阵列电源的整体设计

阵列电源的整体设计如图1所示。

图1 阵列电源整体设计图

各阵列电源的工作是靠上位机控制的，上位机将限压、电流、频率、脉宽、温控等参数通过通信与同步信号分配器传输到各阵列电源。其中，每个电源的工作参数均可不同，通信与同步信号分配器的作用即是将用户指令分配到每个阵列电源，使每个电源都能按照用户的要求进行工作。与此同时，上位机检测每个电源的工作参数，并实时显示。阵列电源正常工作的最大难点在于6路电源同步泵浦，激光器同时出光，这样经过相干合成后的激光光束更集中，能量更强。另外，由于每台激光器作为负载工作时，对于电源而言，阻抗、容抗等参数均不同，所以每台电源的工作电压都不同，故每台电源都要根据负载情况自动调节高压，所以电源电压自适应问题也是需要解决的难点。最后，为保证六路电源均能正常工作，电源保护问题也不可忽略，保护包括过压保护、过流保护、温度保护等。

2 阵列电源同步问题

由于线路、元器件及激光器晶体泵浦存在一定的延时，由同步信号分配器输出的驱动信号虽然同步分配到各驱动电源，但最后激光器输出的脉冲激光并不一定同步，这给6路激光相干合成带来影响，所以一定要解决输出激光的同步问题。解决的方法在于每路激光器电源都能延时触发，并且延时可控。以其中某一台激光器A1为基准，同时测量A1和另一台激光器A2产生的脉冲信号。当检测到A2脉冲比A1超前Δt时，通过程序设定将A2输出的脉冲延后Δt时间，即可实现A1与A2的同步。以此类推，分别调整A3、A4、A5、A6的触发延时。具体实现过程可用图2表示。

图2 同步原理图

图3 计数器工作区间图

3 电压自适应

激光器驱动电源的原理图如图4所示。阵列电源由于每个激光二极管存在差异，在同样的驱动电流ID情况下，激光二极管作为负载产生的压降UD均不同，如果每台驱动电源的直流高压源的电压UC都相等，不能自适应，则每台电源的驱动电流ID也不能保证相等。假设IGBT的导通压降用UCE表示，采样电阻的压降用 UR=ID×0.01表示(阻值为 0.01 Ω)。由公式 UC=UCE+UR+UD可知，当负载压降 UD不同时，只有改变直流电源的电压UD才能保证每个激光二极管的电流ID不变，这也就是电压自适应问题。

图4 激光器驱动电源原理图

图 5 IGBT的 UCE、UGE、ID的关系图

采样电阻压降 UR=ID×0.01，对每一台电源而言都相同。当负载压降 UD变化时，直接影响IGBT的导通压降UCE的变化。图5是采用的一款 IGBT(型号为 SKM100-GB12T4)的UCE、UGE、ID的关系图。当UCE=20 V时，在室温下，栅源电压UGE=10 V即可输出100 A的负载电流 ID。此时IGBT处于最佳工作点，因此，只需要检测UCE的电压，并通过AD采样送给单片机进行算法处理，得出直流电源电压UC的控制量，再经过DA输出，即可使UC随着负载UD的变化而变化，从而满足每台激光器驱动电流 ID不变的目的，实现电压的自适应。

4 电源故障保护

每一台电源都含有各种保护，包括过压保护、过流保护、温度保护。阵列电源的特殊之处在于当某一台电源发生故障时，其他电源均要获取故障信息，并同时进行保护。因为阵列电源主要应用于6路激光器相干合成研究中，当其中一台激光器发生异常，势必会对其他几台激光器产生不可预知的后果，诸如泵浦不均匀、光束质量下降、光斑缺失等。所以，阵列电源的故障保护要协调统一。故障保护的示意图如图6所示。当某一台发生故障时，该台电源首先切断高压直流电源，分析故障类型，并经过串口将故障信息上传至上位机；上位机根据故障类型判断需要的动作，进而将相应的动作经过串口传给其他电源，使其他电源做出反应。

5 结语

针对高功率脉冲半导体泵浦激光器相干合成的特殊需要，设计完成6路阵列电源。重点分析阵列电源的同步输出、电压自适应和可靠性保护等问题。该6路激光器阵列电源已在“六路激光相干合成”研究中得到应用。经过试验验证，同步误差少于1 μs，电压可完全实现自适应，可靠性工作良好，相干合成后的激光能量可达到35 J。

Design of high-power pulsed diode-pumped laser array power supply

Sun Bin，Chu Hua，Li Wei，Cao Haiyuan，Ding Fangzheng，Wei Shangfang
(Optoelectronics Facility,Wuhan Ordnance Non-commissioned Officer Academy，Wuhan 430075，China)

To meet special needs of the high power pulsed diode-pumped laser coherent synthesis,this paper designs six simultaneous output power arrays to achieve the high-voltage and high-current pulse output with adaptive working voltage 0～400 V，current 0～1 200 A，pulse width 200 μs～1 000 μs and repetition frequency 1 Hz～20 Hz，which can be adjusted.It ensures technical indicators，and focuses on solving the array power synchronous output voltage and reliability of adaptive protection and other issues at the same time.The results showed that,the array power synchronization consistency can achieve 99%and output current accuracy is of 0.1 A.It has been applied in the"six-way laser coherent synthesis"study.

array power；sync output；adaptive voltage；pulse power

TP274

：A

：0258-7998(2015)03-0145-02

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.038

国防探索基金(7131029)