大功率LD泵浦激光器驱动电源能量管理策略

初 华，孙 斌，黎 伟，万 强，曹海源，韦尚方，田方涛

(武汉军械士官学校 光电技术研究所，湖北 武汉430075)

1 引言

近年来，随着大功率激光二极管(LD)固体激光器的快速发展，其应用变得十分广泛，如大功率泵浦源、激光刻标、激光切割等［1－3］。作为实现高能激光的前提和基础，激光器驱动电源技术已经成为高能激光的重要核心技术［4］。但是受电光转换效率的制约，驱动电源的电能量最多只有60%～70%可以转换为激光能量输出［5］，剩余的能量均以热能的形式耗散。对于已经设计完成的激光器而言，本身的电光转换效率已经固定，只有提高驱动电源的电能输入，才能增加激光的能量输出。因此，大功率LD固体激光器驱动电源的能量管理策略十分重要，其根本要求是尽量减少电路自身的损耗，增加LD的功率输出，满足大功率的要求［6］。针对这一要求，驱动电源多采用能量压缩技术与电流串联负反馈相结合，在激光器空闲时间内，利用储能元件积累能量，然后通过开关器件将能量快速地释放，LD上便可得到峰值电流很大、脉宽很窄的电流脉冲，以此获得大功率输出［7］。能量管理策略即是通过对储能元件、开关器件、电流采样、放电回路等单元的设计和控制，实现低损耗、高输出的要求，优化能量管理策略对于大功率高能激光器的实现及应用具有十分重要的意义。

2 系统原理

激光器驱动电源主要包含几个部分:能量源、储能元件、开关元件、采样元件、放电单元等。其基本原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图Fig．1 Structure of system elements

为实现激光器驱动电源高功率输出的要求，必须将电源的等效内电阻降到最低。激光二极管阵列所需的电压是直流电压，而市电为220 V、50 Hz的交流电，要保证激光器的输出，需要将交流电转换成直流电，因此选用大功率、高效率的AC/DC电源作为能量源。储能元件的作用是将能量存储起来，在每次脉冲中，将所存储的能量转换成泵浦能量释放出来。储能元件多选用电容元件，为满足大功率的要求，其容值多在10000μF以上，但是单个电容的容值增大，体积也会增大，故在实际使用中多采用数个小电容并联的形式。然而采用并联方式，电容的等效内阻及最大充放电量均会发生变化，其并联电容的数量及工作方式均会影响驱动电源的能量管理策略，故选择合适的方案十分重要。开关器件是高压触发脉冲启动的开关，通过开关器件，能量将从电容中转移出来，开关的频率及时间长度，决定了脉冲的频率及宽度，然而开关器件自身也有内阻，内阻虽然很少，但是对于激光二极管驱动阵列而言，其阻抗不可忽略，尤其是在100 A左右的大电流情况下，开关器件本身的压降不可忽略。为了尽可能减少开关器件的损耗，提高能量利用率，开关器件的选型和控制尤为重要。采样电阻的阻值必须尽可能的小，而且感抗要近似为0，随温度变化系数也要小。激光二极管阵列自身的导通阻抗很小，采样电阻与其串联，电阻上的电压变化即可反应LD中的电流变化，通过电流串联负反馈技术，便可精确控制LD输出的电流。为使能量转换效率最大，采样电阻的阻值及选型十分重要。

综上所述，驱动电源中能量管理策略涉及到整个驱动电路的每个单元，一些微小的参数都不可忽略。为提高能量利用率，降低电路自身损耗，提高功率输出，电路中的每个单元都需要根据激光器的参数要求进行设计，其参数如表1所示。

表1 激光器的性能参数指标Tab．1 Performance parameters of laser

3 储能元件的控制

电容具有功率密度大、充电时间短、使用寿命长、充放电效率高等优异特性，是一种广泛使用的储能元件［8］。利用电容的储能特性完成能量压缩，是实现大功率LD激光器驱动电源的有效途径。所谓能量压缩技术［9］就是将能量源的能量在空间和时间上的压缩。在空间上的压缩是指电路利用空闲时间段对储能电容进行充电，使其具有足够的能量以增加存储的能量体密度;在时间上的压缩是指电路在工作时间段，储存的能量以瞬时释放的方式给LD供电，LD上便可得到峰值电流很大、脉宽很窄的电流脉冲。

3．1 电容容值的计算

由阻容电路的充放电函数可知:

其中，V0为电容上的初始电压值;V1为电容可充到或放到的电压值;Vt为电容t时刻的电压值;R和C为阻容电路的电阻和电容值;exp()函数为以e为底的指数函数;ln()函数为以e为底的对数函数。

可以求出放电时要满足放电时间t的电容C=tp/(R×ln［V0/Vt］)。由表1可知，激光器最大脉冲宽度为500μs，脉冲过程中只允许储能电容有10%的压降，以适应LD电流的要求，故V0/Vt为1．11。电路总阻抗R与激光二极管阻抗RD、开关器件阻抗RM、采样电阻及线路、电线、电容的总阻值RL相关，即总阻抗R=RD+RM+RL，RD、RM、RL的确定与器件的选型及电路的设计有关。电容容量按照最大设计的原则，电路总阻抗R≈2Ω。

因此，满足最大放电时间的最小电容容量Cmin=t/(R×ln［V0/Vt］)，代入tp=500μs，R≈2Ω，V0/Vt≈1．11，可得Cmin=2373μF。

储能电容容量的确定除了要满足激光器脉冲宽度的要求外，还要满足激光器输出能量的要求。激光器设有m个激光二极管阵列泵浦，每个阵列有n个靶条，所有的阵列和靶条都是串联的，串联电流为Id，每个靶条的压降Vd为1．8 V，输出功率Pd为100 W，脉冲宽度为tp。故激光器能量为Jd=m×n×Pd×tp，实际工作中m×n=160，tp=500μs，故Jd=8 J。

电容从时间t1到t2释放的能量为:

每个靶条压降Vd为1．8 V，160个靶条的总压降，即LD的电压为288 V。即Vt2=280 V，压降仍按照10%的要求，故Vt1=310 V。因此，满足激光器输出能量要求的最小电容容量Cmin=2 WC/(Vt22－，可得Cmin=903．95μF。

由最大放电时间和最大输出能量确定的最小电容可知，储能电容的容量至少要2500μF以上。上述结论是建立在LD允许压降10%得出的，在实际使用中，为保证LD电压变化在1%左右，电容往往要远大于以上值，多选用12000μF。

3．2 充电限流电阻的计算

储能电容在初始时刻电压值V0为0，如果将电压很高(400 V)的直流电源直接加在电容两端，充电电流将会很大，很可能直接发生爆炸。因此，电容充电过程必须加限流电阻，如图1所示。由表1可知，LD的重复频率最高可达到50 Hz，能量压缩技术要求储能电容在空闲时间内充电，设重复频率为f，则充电时间，由阻容电路的充放电函数可得，充电时间:tc=RC×ln［V1/(V1－Vt)］，故:

随着电容两端电压的逐渐增大，充电电流逐渐减小，所以起始时刻的充电电流最大。起始时刻电容两端电压为0，故直流电源电压直接加在限流电阻上，电阻瞬时功率计算为

虽然时间很短，但是现有的电阻很难做到如此大的功率。因此，要控制直流电源的输入电压，使电容两端电压缓慢上升。即整个电路在刚上电的过程中以10 V/s的频率缓慢升压，使储能电容缓慢充电，待正常工作后，由于选用10000μF的电容，电容放电造成的压降很少，按1%计算，充电时也只有1%的电压加在限流电阻的两端，此时电阻的功率只有:

因此只用一个小的50 W的功率电阻即可实现，这也是选用12000μF这一远大于理论计算电容容值的原因。

3．3 电容连接方式的设计

为实现10000μF容值的大电容，可以有两种方式，一种是体积容量很大的单体电容，另一种是将数个小电容通过串联或并联的方式形成的组合电容，两种电容如图2所示。对于理想电容而言，二者都能满足容量的要求，但是在实际使用过程中，电容都具有内阻，该内阻在电容充放电过程中的能量损耗，尤其是在电容充放电开始时刻，由于电流很大，该内阻造成的损耗就不可忽略。LD驱动电源能量管理策略要求电路损耗降到最低，必须通过合理的设计，实现低损耗、高输出的要求。单体电容和组合电容的等效电路如图3所示。

图2 储能电容Fig．2 Energy storage capacitance

图3 电容的等效电路Fig．3 Equivalent circuit of capacitance

由图3可知，对于单体电容而言，电容输出Uo=Uc+Id·R1，R1为电容的内阻，主要由电极内阻、溶液内阻和接触电阻组成。组合电容是将n个小容量单体电容并联工作，Id=I1+I2+……+In，(近似认为每个单体电容的内阻特性相同)。由两式可以看出，并联方式可以降低内阻压降和内阻损耗，尤其是当Id比较大的时候，组合电容的压降和损耗可以将电容效率达到最大值，因此，电容的连接方式应选用单体电容并联成大的储能电容的形式。

4 开关器件的控制

开关器件大多选用压控型功率半导体器件，例如金属－氧化物－半导体场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。其作用是通过改变半导体器件的栅极电压来改变LD的电流，产生所需要的电流波形。为了将不可避免的电路损耗降到最低，实现能量管理策略的要求，开关器件的损耗必须降到最低。开关器件的功耗由通态损耗、断态损耗、开通损耗和关断损耗组成。开关器件关断后相当于开路，故断态损耗可以忽略。以IGBT(SKM100GB12T4)为例，分别讨论各种损耗。图4为IGBT等效电路图。

图4 IGBT的等效电路Fig．4 Equivalent circuit of IGBT

4．1 通态损耗

由图5可见，IGBT的C极和E极通态饱和压降VCE(on)是一个变量，其值与集电极电流IC，器件结温Tj，以及栅极电压VGE有关。通态功耗Pon=IC×VCE(on)，当Tj=25℃，IC=150 A时，VCE(on)=2．3 V。由此可计算出通态功耗Pon=345 W，能量为

Pon×tp≈0．2 J。

图5 VCE与IC关系图Fig．5 Relation of VCE and IC

由VCE(on)和IC可以近似计算出IGBT的等效阻抗RIGBT=VCE(on)/IC，仍在25℃条件下，可计算RIGBT=0．015Ω。若采用功率MOSFET作为开关器件，其等效的阻抗RDS=0．2Ω左右，具有很高的电阻率，尤其是相对于LD而言，阻抗大，功耗也会增大。但是MOSFET的开关频率快、输入阻抗高，因此，在选用开关器件时，当开关频率不是很快的情况下(＜50 Hz)，多选用IGBT作为开关器件。

4．2 开关损耗

由于IGBT器件存在米勒电容，栅极和发射极之间、栅极和集电极之间都可以等效为一个电容，在IGBT开通和关断期间，集电极与发射极之间会产生很高的电压变化dv/dt，该dv/dt会通过米勒电容在栅极产生脉冲电压，如果栅极脉冲电压超过栅极阈值电压，IGBT将会瞬时开通，此时其相对的IGBT处于开通短路状态，形成瞬时短路电流，该电流增加了器件损耗，降低了运行可靠性。此电流在空载时最严重，因为dv/dt最大。因此要设计低阻抗的栅极驱动电路和尽可能短的驱动电路布局，而且栅极加－5～－15 V的负偏压，减小关断损耗。

由图6可以看出，IGBT的开关损耗与栅极电阻RG有关，电阻增大，UGE前后沿变缓，IGBT开关过程延长，开通损耗增加。单当RG太小时，可导致IGBT栅极、发射极电压振荡，集电极di/dt增加，引起IGBT集电极产生尖峰电压，增大器件损耗，并可能使IGBT损坏。因此，应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率选取RG值，并应在IGBT栅极和发射极之间并联阻值为10 kΩ左右的RGE［10］。

图6 开关损耗与IC、RG的关系Fig．6 Relation of between on－off wastage and IC/RG

5 采样电阻和放电电阻

采用电流串联负反馈技术的驱动电源，采样电阻必须是无感精密电阻。采样电阻上的电流变化，引起电压的变化，电压经过运算放大器与参考电压比较后形成闭环网络，以此控制IGBT栅极电压，从而使LD放电回路的电流保持恒定，改变参考电压就可改变LD电流。普通的电阻不可避免的会有寄生电感，当电流发生变化时，电阻两端电压就会产生振荡，采样就会不准，因此，采样电阻必须采用无感电阻。电阻阻值相对于LD负载而言不能太大，其典型值为0．01Ω，因此采样电阻本身的功耗可以计算为PR=Id2×R×tp=150 A2×0．01Ω×500μs=112．5 mW。故采样电阻本身功耗很小。

放电电路是为了保护IGBT及LD，当电路出现故障时，IGBT无法关断，储能电容上的所有储存能量都转移到LD上，由于储存能量是单脉冲能量的许多倍，发生这种故障时，耗散热足以融化LD阵列组连接到散热器上的焊料，时间足够长的话，将会烧掉激光二极管组件。因此必须加放电回路，当检测到IGBT无法关断时，及时通过MOSFET管和放电电阻将储存在电容上的电放掉，保护IGBT和LD。此时，电容储存的能量完全以热能的形式耗散在放电电阻上。放电电阻的耗散能量等于储能电容储存的能量，放电电阻可选用一个50 W/50Ω的水泥电阻放电。

6 电源测试结果分析

电源能量管理策略要求电路自身损耗最少，能量转换效率最高。激光二极管的能量为:

从储能电容中得到的能量为:

储能电容:

因此可计算能量利用率:

其中，R为电路总阻抗;R=Rd+RM+RL，ΔV=V1－V2为电容的压降。式中右边第一项Rd/R为电路损耗的极限，在一个激光器电源设计完成后，内阻抗相对于LD负载阻抗越小，其能量利用率越高。式中第二项表示电容压降ΔV越小，其值越接近于1，能量利用率可达到极限效率。因此提高能量利用率的方法为降低电源内阻，降低电容压降。

表2所示为试验数据，其中，采用的电容容量为12000μF，脉冲时间为500μs。

试验过程中测量值最小分辨率为1 V，存在一定的误差，但可以看出，随着LD电流的增大，其需要的能量也增多，电容的压降也相应增大，以释放更多能量满足负载要求，电源效率可达到88%以上。

表2 实验数据Tab．2 Experiment date

7 结论

针对大功率LD驱动电源对能量管理的要求，文中对储能电容元件、开关元件、采样电阻和放电电阻进行了详细地研究。分别对电容容量、充电电阻阻值、电容连接方式进行了仔细设计，对开关元件各种损耗进行了详细计算，对采样电阻、放电电阻进行了细致分析，最后经过试验验证，计算出电源的能量转化效率，能量利用率可达到88%以上。采用此能量管理策略研制的大功率LD驱动电源在6路相干合成固体激光器中得到很好的应用，如图7所示，实现了35 J的高能输出，能量利用率得到大幅提高。下一步将研究大功率LD驱动电源阵列的能量管理策略，实现阵列电源的多路输出，提高能量转换效率，并努力在工程实践中实现应用。

图7 实物图Fig．7 practicality picture

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