一种大功率高重频脉冲激光电源的研究

邹锦浪，沈 昂，何娇娇，王邦兴，徐 欢，嵇保健

（1.上海空间电源研究所，上海 200245；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094）

半导体二极管泵浦激光器(Diode Pumped Solid-State Laser，DPSSL)比于传统的灯光固体激光器电光能量转换效率高出将近一个数量级[1-2]。理想激光器发出的激光是中心波长稳定、光子强度受控的激光，其配套的驱动电源的输出电流在稳定度和纹波电流方面都具有较高的要求[3-4]。以IXY和Northrop Grumman 为代表的国外公司在脉冲激光电源技术方面走在行业的前列。其脉冲电源系列产品PCM-7510和ED4P-AXA的输出电压达到120～350 V，电流高达250～300 A，频率为5 Hz～100 kHz，脉冲宽度也扩展到了50 000 μs[5-8]。然而，现有的大功率脉冲电源实现方案以交错并联BUCK 恒流源技术和储能电容线性放电输出技术实现，BUCK 恒流源方案存在电流稳定度及纹波问题，电路的实时响应不能满足高动态使用环境的需求，储能电容阵线性放电方案存在充电等待时间及电容阵的体积问题，在体积尺寸受限的场合有一定的局限性[9-10]。

为克服上述技术方案存在的一些不足，文中研究的脉冲电源采用交错并联BOOST 与滞环BUCK结合线性恒流源的多模块级联方案，结合BUCK 电路与恒流源电路小型化、轻量化及高动态响应、低纹波的优势，通过支路并联的方法来增大总输出电流，提高电源整体功率，满足半导体激光器大功率的需求。

为促进DPSSL 在军事和工业应用上的发展，基于激光电源系统项目的大背景下，文中开展了大功率泵浦半导体激光电器驱动电源方面的研究工作，其技术参数如下：输出电压260～280 V，满功率输出电流390 A，电流稳定输出时波动范围不大于6%；脉冲宽度100～500 μs，重复频率100～500 Hz；上升沿时间小于45 μs，上升沿同步时间偏差不大于5 μs，下降沿时间小于25 μs，下降沿同步时间不大于2.5 μs。

1 电源系统组成

根据激光系统工作要求，单路电源子系统主要由AC-DC 变换单元、350 V 锂离子电池组、BMS 管理单元、脉冲调制电源单元和数控单元组成。其工作原理是电源子系统首先将380 V 交流电经由AC-DC变换器转换为直流电，对锂离子蓄电池组进行充电和热管理，锂离子电池组对外输出稳态电流，驱动10路脉冲调制电源模块，使之转换为激光器所需的全部负载功率，蓄电池管理单元（BMS）对锂离子蓄电池组的工作状态和工作性能进行监控和管理，数控单元负责子系统内各单元的数据处理、通信和控制，并与总系统的中央控制器进行通信。电源子系统工作原理框图如图1 所示。

图1 电源子系统工作原理框图

2 脉冲电源分系统实现方案

为了向激光泵浦源提供高动态、高精度、低纹波的脉冲电流，该脉冲电源模块采用交错并联BOOST升压电路结合滞环BUCK 与线性恒流源的技术方案，脉冲电源原理框图如图2 所示。利用前级交错并联BOOST 电路对500 V 电容阵实时充电，再通过滞环BUCK 电路将后端电容阵控制在300 V 左右的一个滞环区间，末端线性恒流源电路通过工作于放大区的功率MOS 管产生相应频率脉宽幅值的脉冲电流波形。

图2 脉冲电源模块原理框图

技术方案有以下特点：前级交错并联BOOST 电路解决了电容阵充电等待时间的问题，通过平均电流控制对500 V 储能电容阵快速充电，为后级BUCK+线性恒流源提供稳定的输出环境，其中交错并联技术的使用有利于纹波的减小及电流密度的提升。后级BUCK+线性恒流源的结构结合了BUCK 电路小型化、轻量化的特点和线性恒流源高动态、低纹波的优势，解决了现有交错BUCK 恒流源方案输出脉冲电流纹波大的问题。BUCK+线性恒流源并联输出的拓扑有利于提升脉冲激光电源瞬时功率，提升输出脉冲电流功率密度，且不会存在现有仅依靠大电容线性放电的体积过大问题，提高了大功率脉冲电源的环境适应性。

驱动源前级模块采用BOOST 交错并联升压电路，如图3 所示，由电感电容二极管构成的并联支路交错导通运行。开关管利用平均电流控制产生相位交错180°、频率相同的调制PWM 波，电感电流纹波以此叠加相消得以减小[11]。两条支路元器件参数一致，电感利用伏秒积分和最大纹波要求确定，交错导通的支路不仅有利于纹波的减小，还有利于功率密度的提升[12]。

图3 BOOST控制原理框图

脉冲电源的放电模块由BUCK 电路与线性恒流源组合而成，为满足输出瞬时大电流的性能需求，电路采取10 路BUCK 与线性恒流源并联分流形式，如图4、5 所示。滞环BUCK 电路的作用是给300 V 储能电容快速充电并与线性恒流源协同输出，通过电压滞环控制将300 V 电容电压控制在一定的滞环宽度内，以保证300 V 储能电容阵随时具有瞬时放电的能力。

图4 BUCK滞环控制框图

图5 线性恒流电路工作原理框图

线性恒流源的主要功能是解决半导体阵列脉冲电流动态性能需求问题，且通过控制功率管漏源电压信号的频率脉宽及幅值等实现动态调节输出[13-14]。在线性恒流源开始工作的瞬间，300 V 储能电容为脉冲调制电流提供脉冲电流，然后再与BUCK 电路共同为脉冲调制电流提供脉冲电流。

利用电路设计仿真软件Candence 中的PSpice 仿真器对电路进行仿真分析，设定输出脉冲电流频率100 Hz，脉冲宽度500 μs，电流幅值39 A，利用PSpice瞬态仿真分析得到的输出脉冲波形如图6 所示，放大后脉冲波形上升时间为26 μs，下降时间为23 μs。

图6 100 Hz 500 μs 39 A电流输出仿真波形

在实际应用中，针对重点发热器件，可额外增加散热片，功率器件放置在模块的底部贴近液冷散热面[15]，电感等不规则发热器通过导热灌胶件的方式与散热底板接触[16]，模块内部散热排布如图7 所示。

图7 PCB及结构散热措施

3 实验结果

为验证脉冲调制电源[17-18]在不同工作条件下的工作性能和状态，将两台脉冲调制电源模块与激光泵浦进行了电性能对接，以验证上述方案的合理性。测试单脉冲情况下设置负载电流390 A 满载输出，相应脉冲电流波形见图8，此时实际脉冲电流幅值略有超调，为394 A，最低值IL为377 A，上升时间tr为42 μs，下降时间tf为5 μs，电流稳定度为4.4%。

图8 脉宽500 μs负载100%单脉冲电流

脉宽继续加大为500 μs，重复频率设定为100 Hz，同样检测满载输出390 A的脉冲电流波形，见图9，脉冲电流IH为393 A，IL为371 A，上升时间tr为35 μs，下降时间tf为5 μs,电流稳定度5.6%，脉冲电流动态性能良好，达到了电流由10%到90%上升时间小于45 μs，下降时间小于25 μs的要求。

图9 脉宽500 μs重频100 Hz满载电流波形

测试两台脉冲调制电源模块并联输出情况，将两台脉冲调制电源模块设置为同步工作状态。电流档位为390 A，脉冲宽度为100 μs，重复频率为500 Hz，其同步电流输出波形如图10 所示，由图可知，上升沿同步时间为3 μs，下降沿同步时间为1.5 μs，满足同步性要求。

图10 脉宽100 μs频率500 Hz同步情况

由联试结果可知，脉冲调制电源模块的上升时间、下降时间、同步特性等技术指标均满足任务指标要求，验证了方案的可行性。

4 结论

文中介绍了一种大功率高重频脉冲激光电源的研究工作，结合其设计指标要求，就其中的电路实现方案进行了分析及仿真验证，并将工程样机与激光负载进行联试。结果表明，所研制的脉冲激光电源具有高精度、高动态响应、强同步性的优点。随着半导体激光器逐渐成为国防军事、医疗工业等各领域的热门，对相应激光电源的要求也在不断提高，该研究对大功率激光电源的研制有很好的借鉴意义。