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.南京理工大學自動化學院，江蘇南京 210094）

半導體二極管泵浦激光器(Diode Pumped Solid-State Laser，DPSSL)比于傳統的燈光固體激光器電光能量轉換效率高出將近一個數量級[1-2]。理想激光器發出的激光是中心波長穩定、光子強度受控的激光，其配套的驅動電源的輸出電流在穩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方面走在行業的前列。其脈沖電源系列產品PCM-7510和ED4P-AXA的輸出電壓達到120～350 V，電流高達250～300 A，頻率為5 Hz～100 kHz，脈沖寬度也擴展到了50 000 μs[5-8]。然而，現有的大功率脈沖電源實現方案以交錯并聯BUCK 恒流源技術和儲能電容線性放電輸出技術實現，BUCK 恒流源方案存在電流穩定度及紋波問題，電路的實時響應不能滿足高動態使用環境的需求，儲能電容陣線性放電方案存在充電等待時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]。

為克服上述技術方案存在的一些不足，文中研究的脈沖電源采用交錯并聯BOOST 與滯環BUCK結合線性恒流源的多模塊級聯方案，結合BUCK 電路與恒流源電路小型化、輕量化及高動態響應、低紋波的優勢，通過支路并聯的方法來增大總輸出電流，提高電源整體功率，滿足半導體激光器大功率的需求。

為促進DPSSL 在軍事和工業應用上的發展，基于激光電源系統項目的大背景下，文中開展了大功率泵浦半導體激光電器驅動電源方面的研究工作，其技術參數如下：輸出電壓260～280 V，滿功率輸出電流390 A，電流穩定輸出時波動范圍不大于6%；脈沖寬度100～500 μs，重復頻率100～500 Hz；上升沿時間小于45 μs，上升沿同步時間偏差不大于5 μs，下降沿時間小于25 μs，下降沿同步時間不大于2.5 μs。

1 電源系統組成

根據激光系統工作要求，單路電源子系統主要由AC-DC 變換單元、350 V 鋰離子電池組、BMS 管理單元、脈沖調制電源單元和數控單元組成。其工作原理是電源子系統首先將380 V 交流電經由AC-DC變換器轉換為直流電，對鋰離子蓄電池組進行充電和熱管理，鋰離子電池組對外輸出穩態電流，驅動10路脈沖調制電源模塊，使之轉換為激光器所需的全部負載功率，蓄電池管理單元（BMS）對鋰離子蓄電池組的工作狀態和工作性能進行監控和管理，數控單元負責子系統內各單元的數據處理、通信和控制，并與總系統的中央控制器進行通信。電源子系統工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 電源子系統工作原理框圖

2 脈沖電源分系統實現方案

為了向激光泵浦源提供高動態、高精度、低紋波的脈沖電流，該脈沖電源模塊采用交錯并聯BOOST升壓電路結合滯環BUCK 與線性恒流源的技術方案，脈沖電源原理框圖如圖2 所示。利用前級交錯并聯BOOST 電路對500 V 電容陣實時充電，再通過滯環BUCK 電路將后端電容陣控制在300 V 左右的一個滯環區間，末端線性恒流源電路通過工作于放大區的功率MOS 管產生相應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

技術方案有以下特點：前級交錯并聯BOOST 電路解決了電容陣充電等待時間的問題，通過平均電流控制對500 V 儲能電容陣快速充電，為后級BUCK+線性恒流源提供穩定的輸出環境，其中交錯并聯技術的使用有利于紋波的減小及電流密度的提升。后級BUCK+線性恒流源的結構結合了BUCK 電路小型化、輕量化的特點和線性恒流源高動態、低紋波的優勢，解決了現有交錯BUCK 恒流源方案輸出脈沖電流紋波大的問題。BUCK+線性恒流源并聯輸出的拓撲有利于提升脈沖激光電源瞬時功率，提升輸出脈沖電流功率密度，且不會存在現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境適應性。

驅動源前級模塊采用BOOST 交錯并聯升壓電路，如圖3 所示，由電感電容二極管構成的并聯支路交錯導通運行。開關管利用平均電流控制產生相位交錯180°、頻率相同的調制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一致，電感利用伏秒積分和最大紋波要求確定，交錯導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，為滿足輸出瞬時大電流的性能需求，電路采取10 路BUCK 與線性恒流源并聯分流形式，如圖4、5 所示。滯環BUCK 電路的作用是給300 V 儲能電容快速充電并與線性恒流源協同輸出，通過電壓滯環控制將300 V 電容電壓控制在一定的滯環寬度內，以保證300 V 儲能電容陣隨時具有瞬時放電的能力。

圖4 BUCK滯環控制框圖

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體陣列脈沖電流動態性能需求問題，且通過控制功率管漏源電壓信號的頻率脈寬及幅值等實現動態調節輸出[13-14]。在線性恒流源開始工作的瞬間，300 V 儲能電容為脈沖調制電流提供脈沖電流，然后再與BUCK 電路共同為脈沖調制電流提供脈沖電流。

利用電路設計仿真軟件Candence 中的PSpice 仿真器對電路進行仿真分析，設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間為26 μs，下降時間為23 μs。

圖6 100 Hz 500 μs 39 A電流輸出仿真波形

在實際應用中，針對重點發熱器件，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]，電感等不規則發熱器通過導熱灌膠件的方式與散熱底板接觸[16]，模塊內部散熱排布如圖7 所示。

圖7 PCB及結構散熱措施

3 實驗結果

為驗證脈沖調制電源[17-18]在不同工作條件下的工作性能和狀態，將兩臺脈沖調制電源模塊與激光泵浦進行了電性能對接，以驗證上述方案的合理性。測試單脈沖情況下設置負載電流390 A 滿載輸出，相應脈沖電流波形見圖8，此時實際脈沖電流幅值略有超調，為394 A，最低值IL為377 A，上升時間tr為42 μs，下降時間tf為5 μs，電流穩定度為4.4%。

圖8 脈寬500 μs負載100%單脈沖電流

脈寬繼續加大為500 μs，重復頻率設定為100 Hz，同樣檢測滿載輸出390 A的脈沖電流波形，見圖9，脈沖電流IH為393 A，IL為371 A，上升時間tr為35 μs，下降時間tf為5 μs,電流穩定度5.6%，脈沖電流動態性能良好，達到了電流由10%到90%上升時間小于45 μs，下降時間小于25 μs的要求。

圖9 脈寬500 μs重頻100 Hz滿載電流波形

測試兩臺脈沖調制電源模塊并聯輸出情況，將兩臺脈沖調制電源模塊設置為同步工作狀態。電流檔位為390 A，脈沖寬度為100 μs，重復頻率為500 Hz，其同步電流輸出波形如圖10 所示，由圖可知，上升沿同步時間為3 μs，下降沿同步時間為1.5 μs，滿足同步性要求。

圖10 脈寬100 μs頻率500 Hz同步情況

由聯試結果可知，脈沖調制電源模塊的上升時間、下降時間、同步特性等技術指標均滿足任務指標要求，驗證了方案的可行性。

4 結論

文中介紹了一種大功率高重頻脈沖激光電源的研究工作，結合其設計指標要求，就其中的電路實現方案進行了分析及仿真驗證，并將工程樣機與激光負載進行聯試。結果表明，所研制的脈沖激光電源具有高精度、高動態響應、強同步性的優點。隨著半導體激光器逐漸成為國防軍事、醫療工業等各領域的熱門，對相應激光電源的要求也在不斷提高，該研究對大功率激光電源的研制有很好的借鑒意義。