一種大功率高重頻脈沖激光電源的研究

鄒錦浪，沈 昂，何嬌嬌，王邦興，徐 歡，嵇保健

（1.上海空間電源研究所，上海 200245；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210094）

半導(dǎo)體二極管泵浦激光器(Diode Pumped Solid-State Laser，DPSSL)比于傳統(tǒng)的燈光固體激光器電光能量轉(zhuǎn)換效率高出將近一個(gè)數(shù)量級(jí)[1-2]。理想激光器發(fā)出的激光是中心波長穩(wěn)定、光子強(qiáng)度受控的激光，其配套的驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流在穩(wěn)定度和紋波電流方面都具有較高的要求[3-4]。以IXY和Northrop Grumman 為代表的國外公司在脈沖激光電源技術(shù)方面走在行業(yè)的前列。其脈沖電源系列產(chǎn)品PCM-7510和ED4P-AXA的輸出電壓達(dá)到120～350 V，電流高達(dá)250～300 A，頻率為5 Hz～100 kHz，脈沖寬度也擴(kuò)展到了50 000 μs[5-8]。然而，現(xiàn)有的大功率脈沖電源實(shí)現(xiàn)方案以交錯(cuò)并聯(lián)BUCK 恒流源技術(shù)和儲(chǔ)能電容線性放電輸出技術(shù)實(shí)現(xiàn)，BUCK 恒流源方案存在電流穩(wěn)定度及紋波問題，電路的實(shí)時(shí)響應(yīng)不能滿足高動(dòng)態(tài)使用環(huán)境的需求，儲(chǔ)能電容陣線性放電方案存在充電等待時(shí)間及電容陣的體積問題，在體積尺寸受限的場合有一定的局限性[9-10]。

為克服上述技術(shù)方案存在的一些不足，文中研究的脈沖電源采用交錯(cuò)并聯(lián)BOOST 與滯環(huán)BUCK結(jié)合線性恒流源的多模塊級(jí)聯(lián)方案，結(jié)合BUCK 電路與恒流源電路小型化、輕量化及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低紋波的優(yōu)勢(shì)，通過支路并聯(lián)的方法來增大總輸出電流，提高電源整體功率，滿足半導(dǎo)體激光器大功率的需求。

為促進(jìn)DPSSL 在軍事和工業(yè)應(yīng)用上的發(fā)展，基于激光電源系統(tǒng)項(xiàng)目的大背景下，文中開展了大功率泵浦半導(dǎo)體激光電器驅(qū)動(dòng)電源方面的研究工作，其技術(shù)參數(shù)如下：輸出電壓260～280 V，滿功率輸出電流390 A，電流穩(wěn)定輸出時(shí)波動(dòng)范圍不大于6%；脈沖寬度100～500 μs，重復(fù)頻率100～500 Hz；上升沿時(shí)間小于45 μs，上升沿同步時(shí)間偏差不大于5 μs，下降沿時(shí)間小于25 μs，下降沿同步時(shí)間不大于2.5 μs。

1 電源系統(tǒng)組成

根據(jù)激光系統(tǒng)工作要求，單路電源子系統(tǒng)主要由AC-DC 變換單元、350 V 鋰離子電池組、BMS 管理單元、脈沖調(diào)制電源單元和數(shù)控單元組成。其工作原理是電源子系統(tǒng)首先將380 V 交流電經(jīng)由AC-DC變換器轉(zhuǎn)換為直流電，對(duì)鋰離子蓄電池組進(jìn)行充電和熱管理，鋰離子電池組對(duì)外輸出穩(wěn)態(tài)電流，驅(qū)動(dòng)10路脈沖調(diào)制電源模塊，使之轉(zhuǎn)換為激光器所需的全部負(fù)載功率，蓄電池管理單元（BMS）對(duì)鋰離子蓄電池組的工作狀態(tài)和工作性能進(jìn)行監(jiān)控和管理，數(shù)控單元負(fù)責(zé)子系統(tǒng)內(nèi)各單元的數(shù)據(jù)處理、通信和控制，并與總系統(tǒng)的中央控制器進(jìn)行通信。電源子系統(tǒng)工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 電源子系統(tǒng)工作原理框圖

2 脈沖電源分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

為了向激光泵浦源提供高動(dòng)態(tài)、高精度、低紋波的脈沖電流，該脈沖電源模塊采用交錯(cuò)并聯(lián)BOOST升壓電路結(jié)合滯環(huán)BUCK 與線性恒流源的技術(shù)方案，脈沖電源原理框圖如圖2 所示。利用前級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)BOOST 電路對(duì)500 V 電容陣實(shí)時(shí)充電，再通過滯環(huán)BUCK 電路將后端電容陣控制在300 V 左右的一個(gè)滯環(huán)區(qū)間，末端線性恒流源電路通過工作于放大區(qū)的功率MOS 管產(chǎn)生相應(yīng)頻率脈寬幅值的脈沖電流波形。

圖2 脈沖電源模塊原理框圖

技術(shù)方案有以下特點(diǎn)：前級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)BOOST 電路解決了電容陣充電等待時(shí)間的問題，通過平均電流控制對(duì)500 V 儲(chǔ)能電容陣快速充電，為后級(jí)BUCK+線性恒流源提供穩(wěn)定的輸出環(huán)境，其中交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的使用有利于紋波的減小及電流密度的提升。后級(jí)BUCK+線性恒流源的結(jié)構(gòu)結(jié)合了BUCK 電路小型化、輕量化的特點(diǎn)和線性恒流源高動(dòng)態(tài)、低紋波的優(yōu)勢(shì)，解決了現(xiàn)有交錯(cuò)BUCK 恒流源方案輸出脈沖電流紋波大的問題。BUCK+線性恒流源并聯(lián)輸出的拓?fù)溆欣谔嵘}沖激光電源瞬時(shí)功率，提升輸出脈沖電流功率密度，且不會(huì)存在現(xiàn)有僅依靠大電容線性放電的體積過大問題，提高了大功率脈沖電源的環(huán)境適應(yīng)性。

驅(qū)動(dòng)源前級(jí)模塊采用BOOST 交錯(cuò)并聯(lián)升壓電路，如圖3 所示，由電感電容二極管構(gòu)成的并聯(lián)支路交錯(cuò)導(dǎo)通運(yùn)行。開關(guān)管利用平均電流控制產(chǎn)生相位交錯(cuò)180°、頻率相同的調(diào)制PWM 波，電感電流紋波以此疊加相消得以減小[11]。兩條支路元器件參數(shù)一致，電感利用伏秒積分和最大紋波要求確定，交錯(cuò)導(dǎo)通的支路不僅有利于紋波的減小，還有利于功率密度的提升[12]。

圖3 BOOST控制原理框圖

脈沖電源的放電模塊由BUCK 電路與線性恒流源組合而成，為滿足輸出瞬時(shí)大電流的性能需求，電路采取10 路BUCK 與線性恒流源并聯(lián)分流形式，如圖4、5 所示。滯環(huán)BUCK 電路的作用是給300 V 儲(chǔ)能電容快速充電并與線性恒流源協(xié)同輸出，通過電壓滯環(huán)控制將300 V 電容電壓控制在一定的滯環(huán)寬度內(nèi)，以保證300 V 儲(chǔ)能電容陣隨時(shí)具有瞬時(shí)放電的能力。

圖4 BUCK滯環(huán)控制框圖

圖5 線性恒流電路工作原理框圖

線性恒流源的主要功能是解決半導(dǎo)體陣列脈沖電流動(dòng)態(tài)性能需求問題，且通過控制功率管漏源電壓信號(hào)的頻率脈寬及幅值等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出[13-14]。在線性恒流源開始工作的瞬間，300 V 儲(chǔ)能電容為脈沖調(diào)制電流提供脈沖電流，然后再與BUCK 電路共同為脈沖調(diào)制電流提供脈沖電流。

利用電路設(shè)計(jì)仿真軟件Candence 中的PSpice 仿真器對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，設(shè)定輸出脈沖電流頻率100 Hz，脈沖寬度500 μs，電流幅值39 A，利用PSpice瞬態(tài)仿真分析得到的輸出脈沖波形如圖6 所示，放大后脈沖波形上升時(shí)間為26 μs，下降時(shí)間為23 μs。

圖6 100 Hz 500 μs 39 A電流輸出仿真波形

在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)重點(diǎn)發(fā)熱器件，可額外增加散熱片，功率器件放置在模塊的底部貼近液冷散熱面[15]，電感等不規(guī)則發(fā)熱器通過導(dǎo)熱灌膠件的方式與散熱底板接觸[16]，模塊內(nèi)部散熱排布如圖7 所示。

圖7 PCB及結(jié)構(gòu)散熱措施

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證脈沖調(diào)制電源[17-18]在不同工作條件下的工作性能和狀態(tài)，將兩臺(tái)脈沖調(diào)制電源模塊與激光泵浦進(jìn)行了電性能對(duì)接，以驗(yàn)證上述方案的合理性。測(cè)試單脈沖情況下設(shè)置負(fù)載電流390 A 滿載輸出，相應(yīng)脈沖電流波形見圖8，此時(shí)實(shí)際脈沖電流幅值略有超調(diào)，為394 A，最低值IL為377 A，上升時(shí)間tr為42 μs，下降時(shí)間tf為5 μs，電流穩(wěn)定度為4.4%。

圖8 脈寬500 μs負(fù)載100%單脈沖電流

脈寬繼續(xù)加大為500 μs，重復(fù)頻率設(shè)定為100 Hz，同樣檢測(cè)滿載輸出390 A的脈沖電流波形，見圖9，脈沖電流IH為393 A，IL為371 A，上升時(shí)間tr為35 μs，下降時(shí)間tf為5 μs,電流穩(wěn)定度5.6%，脈沖電流動(dòng)態(tài)性能良好，達(dá)到了電流由10%到90%上升時(shí)間小于45 μs，下降時(shí)間小于25 μs的要求。

圖9 脈寬500 μs重頻100 Hz滿載電流波形

測(cè)試兩臺(tái)脈沖調(diào)制電源模塊并聯(lián)輸出情況，將兩臺(tái)脈沖調(diào)制電源模塊設(shè)置為同步工作狀態(tài)。電流檔位為390 A，脈沖寬度為100 μs，重復(fù)頻率為500 Hz，其同步電流輸出波形如圖10 所示，由圖可知，上升沿同步時(shí)間為3 μs，下降沿同步時(shí)間為1.5 μs，滿足同步性要求。

圖10 脈寬100 μs頻率500 Hz同步情況

由聯(lián)試結(jié)果可知，脈沖調(diào)制電源模塊的上升時(shí)間、下降時(shí)間、同步特性等技術(shù)指標(biāo)均滿足任務(wù)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了方案的可行性。

4 結(jié)論

文中介紹了一種大功率高重頻脈沖激光電源的研究工作，結(jié)合其設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，就其中的電路實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了分析及仿真驗(yàn)證，并將工程樣機(jī)與激光負(fù)載進(jìn)行聯(lián)試。結(jié)果表明，所研制的脈沖激光電源具有高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、強(qiáng)同步性的優(yōu)點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體激光器逐漸成為國防軍事、醫(yī)療工業(yè)等各領(lǐng)域的熱門，對(duì)相應(yīng)激光電源的要求也在不斷提高，該研究對(duì)大功率激光電源的研制有很好的借鑒意義。