高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器陣列電源的設(shè)計*

孫 斌，初 華，黎 偉，曹海源，丁方正，韋尚方

（武漢軍械士官學(xué)校 光電技術(shù)研究所，湖北 武漢430075）

高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器陣列電源的設(shè)計*

孫 斌，初 華，黎 偉，曹海源，丁方正，韋尚方

（武漢軍械士官學(xué)校 光電技術(shù)研究所，湖北 武漢430075）

為滿足高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器相干合成的特殊需要，設(shè)計6路同步輸出的電源陣列，實現(xiàn)了工作電壓0～400 V自適應(yīng)調(diào)整、工作電流0～1 200 A、脈沖寬度 200 μs～1 000 μs、重復(fù)頻率1 Hz～20 Hz均可任意調(diào)整的高電壓、大電流脈沖輸出。在保證技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)的同時，著重解決陣列電源的同步輸出、電壓自適應(yīng)和可靠性保護(hù)等問題。試驗結(jié)果表明，該陣列電源的同步一致性可達(dá)到99%，輸出電流精度達(dá)到0.1 A，已在“六路激光相干合成”研究中得到應(yīng)用。

陣列電源；同步輸出；電壓自適應(yīng)；脈沖電源

0 引言

半導(dǎo)體泵浦激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出光束質(zhì)量好、性能可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在激光領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。在軍事應(yīng)用上，高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器在激光測距、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)甚至激光武器等方面具有重要的應(yīng)用前景，已成為各國研究的熱點(diǎn)[3]。作為半導(dǎo)體泵浦激光器的重要組成部分，其驅(qū)動電源的研制也成為重要的核心技術(shù)[4]。與連續(xù)半導(dǎo)體激光器相比，脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源不僅涉及到電流的恒定與大小，而且要具有脈沖寬度、重復(fù)頻率、脈沖形狀、過沖控制、各種異常保護(hù)等功能，設(shè)計難度和復(fù)雜度大大增加。目前，較為成熟的脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源一般工作電壓在300 V以內(nèi)，工作電流在250 A以下[5]。

在激光相干合成技術(shù)的研究中，為實現(xiàn)6臺脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器并聯(lián)工作，激光器陣列電源的總體技術(shù)指標(biāo)要達(dá)到：工作電壓 0～300 V自適應(yīng)調(diào)整、工作電流0～1 200 A、脈沖寬度 200 μs～1 000 μs、重復(fù)頻率 1 Hz～20 Hz均可任意調(diào)整的高電壓、大脈沖電流輸出。

1 陣列電源的整體設(shè)計

陣列電源的整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 陣列電源整體設(shè)計圖

各陣列電源的工作是靠上位機(jī)控制的，上位機(jī)將限壓、電流、頻率、脈寬、溫控等參數(shù)通過通信與同步信號分配器傳輸?shù)礁麝嚵须娫础Ｆ渲?，每個電源的工作參數(shù)均可不同，通信與同步信號分配器的作用即是將用戶指令分配到每個陣列電源，使每個電源都能按照用戶的要求進(jìn)行工作。與此同時，上位機(jī)檢測每個電源的工作參數(shù)，并實時顯示。陣列電源正常工作的最大難點(diǎn)在于6路電源同步泵浦，激光器同時出光，這樣經(jīng)過相干合成后的激光光束更集中，能量更強(qiáng)。另外，由于每臺激光器作為負(fù)載工作時，對于電源而言，阻抗、容抗等參數(shù)均不同，所以每臺電源的工作電壓都不同，故每臺電源都要根據(jù)負(fù)載情況自動調(diào)節(jié)高壓，所以電源電壓自適應(yīng)問題也是需要解決的難點(diǎn)。最后，為保證六路電源均能正常工作，電源保護(hù)問題也不可忽略，保護(hù)包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、溫度保護(hù)等。

2 陣列電源同步問題

由于線路、元器件及激光器晶體泵浦存在一定的延時，由同步信號分配器輸出的驅(qū)動信號雖然同步分配到各驅(qū)動電源，但最后激光器輸出的脈沖激光并不一定同步，這給6路激光相干合成帶來影響，所以一定要解決輸出激光的同步問題。解決的方法在于每路激光器電源都能延時觸發(fā)，并且延時可控。以其中某一臺激光器A1為基準(zhǔn)，同時測量A1和另一臺激光器A2產(chǎn)生的脈沖信號。當(dāng)檢測到A2脈沖比A1超前Δt時，通過程序設(shè)定將A2輸出的脈沖延后Δt時間，即可實現(xiàn)A1與A2的同步。以此類推，分別調(diào)整A3、A4、A5、A6的觸發(fā)延時。具體實現(xiàn)過程可用圖2表示。

圖2 同步原理圖

圖3 計數(shù)器工作區(qū)間圖

3 電壓自適應(yīng)

激光器驅(qū)動電源的原理圖如圖4所示。陣列電源由于每個激光二極管存在差異，在同樣的驅(qū)動電流ID情況下，激光二極管作為負(fù)載產(chǎn)生的壓降UD均不同，如果每臺驅(qū)動電源的直流高壓源的電壓UC都相等，不能自適應(yīng)，則每臺電源的驅(qū)動電流ID也不能保證相等。假設(shè)IGBT的導(dǎo)通壓降用UCE表示，采樣電阻的壓降用 UR=ID×0.01表示(阻值為 0.01 Ω)。由公式 UC=UCE+UR+UD可知，當(dāng)負(fù)載壓降 UD不同時，只有改變直流電源的電壓UD才能保證每個激光二極管的電流ID不變，這也就是電壓自適應(yīng)問題。

圖4 激光器驅(qū)動電源原理圖

圖 5 IGBT的 UCE、UGE、ID的關(guān)系圖

采樣電阻壓降 UR=ID×0.01，對每一臺電源而言都相同。當(dāng)負(fù)載壓降 UD變化時，直接影響IGBT的導(dǎo)通壓降UCE的變化。圖5是采用的一款 IGBT(型號為 SKM100-GB12T4)的UCE、UGE、ID的關(guān)系圖。當(dāng)UCE=20 V時，在室溫下，柵源電壓UGE=10 V即可輸出100 A的負(fù)載電流 ID。此時IGBT處于最佳工作點(diǎn)，因此，只需要檢測UCE的電壓，并通過AD采樣送給單片機(jī)進(jìn)行算法處理，得出直流電源電壓UC的控制量，再經(jīng)過DA輸出，即可使UC隨著負(fù)載UD的變化而變化，從而滿足每臺激光器驅(qū)動電流 ID不變的目的，實現(xiàn)電壓的自適應(yīng)。

4 電源故障保護(hù)

每一臺電源都含有各種保護(hù)，包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、溫度保護(hù)。陣列電源的特殊之處在于當(dāng)某一臺電源發(fā)生故障時，其他電源均要獲取故障信息，并同時進(jìn)行保護(hù)。因為陣列電源主要應(yīng)用于6路激光器相干合成研究中，當(dāng)其中一臺激光器發(fā)生異常，勢必會對其他幾臺激光器產(chǎn)生不可預(yù)知的后果，諸如泵浦不均勻、光束質(zhì)量下降、光斑缺失等。所以，陣列電源的故障保護(hù)要協(xié)調(diào)統(tǒng)一。故障保護(hù)的示意圖如圖6所示。當(dāng)某一臺發(fā)生故障時，該臺電源首先切斷高壓直流電源，分析故障類型，并經(jīng)過串口將故障信息上傳至上位機(jī)；上位機(jī)根據(jù)故障類型判斷需要的動作，進(jìn)而將相應(yīng)的動作經(jīng)過串口傳給其他電源，使其他電源做出反應(yīng)。

5 結(jié)語

針對高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器相干合成的特殊需要，設(shè)計完成6路陣列電源。重點(diǎn)分析陣列電源的同步輸出、電壓自適應(yīng)和可靠性保護(hù)等問題。該6路激光器陣列電源已在“六路激光相干合成”研究中得到應(yīng)用。經(jīng)過試驗驗證，同步誤差少于1 μs，電壓可完全實現(xiàn)自適應(yīng)，可靠性工作良好，相干合成后的激光能量可達(dá)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

國防探索基金(7131029)