用于高壓電氣設(shè)備監(jiān)測裝置的激光發(fā)生器*

林海藝，何國華，莫瓊鋒，黎 麗，黃俊潮，陳 晨

(1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130061；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 清遠陽山供電局，廣東 清遠 513100)

近年來，眾多電網(wǎng)研究單位已提出了高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測裝置供電技術(shù)，例如，電池供電、電磁諧振、電容分壓以及溫差發(fā)電等供電方式，但是這些供電技術(shù)均存在一定的局限性[1].由于量子級聯(lián)激光器(QCL)的激光供電方式不受被測對象的負荷影響，供電穩(wěn)定性較高，已被廣泛應(yīng)用.激光供電發(fā)生器作為激光供電系統(tǒng)的核心，其性能優(yōu)劣直接影響高壓電氣設(shè)備監(jiān)測裝置的穩(wěn)定性.

目前，國內(nèi)外的多家科研院所和高等院校紛紛展開對QCL供電發(fā)生器的設(shè)計研究，其中，設(shè)計較成熟能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品商品化的廠商以美國Wavelength公司和上海昕虹光電為代表[2].雖然上述激光器供電發(fā)生器驅(qū)動電流最大可達到10 A，也具備一定的脈沖電流輸出能力，但是脈沖驅(qū)動寬度均處于微秒量級.對于當(dāng)前QCL需要納秒級驅(qū)動能力的需求無法滿足.

因此，為了滿足QCL激光器對其驅(qū)動電流提出高速的要求，設(shè)計并研制了高穩(wěn)定納秒級激光供電發(fā)生器.通過對中心波長為7.5 μm的QCL進行驅(qū)動性能測試實驗，結(jié)果表明，該激光器供電發(fā)生器能為高壓電氣設(shè)備監(jiān)測裝置在電網(wǎng)中的穩(wěn)定運行提供保障.

1 激光供電發(fā)生器硬件設(shè)計

激光供電發(fā)生器由主控制器單元、脈沖信號發(fā)生單元、壓控恒流源單元和保護電路單元組成.結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 激光供電發(fā)生器

主控制器單元采用美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的專業(yè)數(shù)字信號處理器TMS320LF28335.脈沖信號發(fā)生單元可產(chǎn)生幅度、周期以及占空比均可調(diào)節(jié)的脈沖信號.壓控恒流源單元采用線性深度負反饋，通過脈沖信號實現(xiàn)對驅(qū)動信號幅值及脈沖寬度的調(diào)節(jié)[3].保護電路單元可以為QCL提供過流、過壓以及靜電保護，防止其因上述原因造成不可恢復(fù)的損傷，保證QCL穩(wěn)定運行[4].

1.1 脈沖信號發(fā)生單元

脈沖信號發(fā)生單元如圖2所示.主控制器為TMS320LF28335，該處理器的最高額定工作頻率為150 MHz，利用其內(nèi)部增強型PWM模塊產(chǎn)生高速的脈沖信號，作為高速模擬開關(guān)的切換信號，最窄的輸出脈沖寬度約為6.7 ns.模擬通道0(電平為0 V)的輸入電壓是地電位0 V，用以關(guān)斷MOSFET的導(dǎo)通.模擬通道1的輸入電壓由輸出精度為16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)提供，用于設(shè)定MOSFET導(dǎo)通電壓的大小，進而控制負載電流的大小.TMS320LF28335處理器產(chǎn)生的高速PWM信號對兩路輸入的模擬通道進行快速切換，產(chǎn)生高精度周期、占空比和電壓幅值均可調(diào)的脈沖信號.為了實現(xiàn)高速脈沖信號的放大處理，系統(tǒng)選用高速電流反饋型運算放大器對模擬開關(guān)輸出信號進行放大處理，最終脈沖信號的幅度由DAC的輸出電壓和高速脈沖放大電路兩部分共同決定.

圖2 脈沖信號發(fā)生單元框圖

1.2 壓控恒流源單元

壓控恒流源單元原理框圖如圖3所示.

圖3 壓控恒流源單元框圖

壓控恒流源是以運算放大器U1為核心構(gòu)成的線性深度負反饋電路.由于運算放大器U1反向端輸入阻抗無窮大，所以流經(jīng)QCL的驅(qū)動電流全部通過電阻R2.根據(jù)運算放大器U1同向端和反向端虛短原理，電阻R2兩端產(chǎn)生電壓與運算放大器U1同向端(脈沖輸入)信號幅值一致.然后經(jīng)過運算放大器U1對兩端信號進行差動放大驅(qū)動MOSFET Q1，從而通過調(diào)節(jié)脈沖輸入信號幅值實現(xiàn)對驅(qū)動QCL電流大小的控制[5-10].電阻R1和二極管D1組成加速電路，可以加速MOSFET Q1的開關(guān)速度.根據(jù)上述原理可得

(1)

式中：I為QCL驅(qū)動電流；Vpluse為脈沖電壓幅值.

1.3 保護電路單元

靜電累積通常會損壞激光器，因此，防靜電處理一直是激光器驅(qū)動電流的重點，QCL也不例外.此外，驅(qū)動電源在上電過沖不可避免地會產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，其電壓值遠高于QCL的導(dǎo)通電壓，會對其造成致命傷害[11-12].因此，電路處理需要對QCL的電壓端與地之間并聯(lián)大功耗的瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，為了達到最好的抑制效果，瞬態(tài)抑制二極管的位置與電源輸出端口越近越好[13-14].

2 激光供電發(fā)生器軟件設(shè)計

雖然激光發(fā)生器采用線性深度負反饋電路組成壓控恒流源單元，較好地解決了發(fā)生器非線性問題.但是由于MOSFET本身的非線性特性，為了進一步提升發(fā)生器線性度，在軟件設(shè)計方面采用分段函數(shù)方式對MOSFET傳輸特性函數(shù)進行擬合[15].分段擬合函數(shù)分別為洛倫茲函數(shù)、數(shù)理邏輯函數(shù)、多項式函數(shù)和E指數(shù)函數(shù)，如表1所示.

表1 分段擬合函數(shù)

采用四種函數(shù)模型得到的電流表達式為

(2)

(3)

ID=-134.497 63+56.906 67VGS-

(4)

ID=exp(18.597 86-9.010 45VGS+

(5)

式中：ID為漏極電流；VGS為柵源電壓.

MOSFET傳輸特性分段擬合結(jié)果如圖4所示.

圖4 MOSFET特性擬合曲線

當(dāng)VGS≤ 4.27時，采用洛倫茲函數(shù)進行擬合，如圖4中紅色數(shù)據(jù)標(biāo)記.當(dāng)4.27

3 激光發(fā)生器驅(qū)動性能實驗

3.1 最窄脈寬驅(qū)動電流實驗

采用阻值為2 Ω的QCL假負載作為驅(qū)動對象，測試結(jié)果如圖5所示，其中，驅(qū)動脈沖寬度為15 ns，驅(qū)動電流為9 A.

圖5 驅(qū)動脈沖波形圖(2 Ω假負載)

3.2 電流穩(wěn)定性能實驗

為了測試激光發(fā)生器驅(qū)動電流穩(wěn)定性能，采用與QCL特性一致的負載作為被驅(qū)動對象，負載阻值為2～20 Ω.驅(qū)動電流設(shè)定值為10 A，脈沖寬度為15 ns，得到驅(qū)動電流真實值、脈寬持續(xù)時間以及上升/下降時間，測試結(jié)果如圖6所示.

由圖6a可知，10次驅(qū)動電流平均值為10.000 3 A，與平均值相比最大偏差值為10.000 7 A，因此，驅(qū)動電流穩(wěn)定性優(yōu)于4.0×10-5.由圖6b可知，10次脈沖持續(xù)時間平均值為4.775 ns，與平均值相比最大偏差值為4.785 ns，因此，脈沖持續(xù)時間穩(wěn)定度優(yōu)于2.0×10-3.由圖6c可知，0次上升/下降沿時間平均值為5.737 ns，與平均值相比最大偏差值為5.742 ns，因此，上升/下降沿時間穩(wěn)定度優(yōu)于1.0×10-3.

圖6 驅(qū)動脈沖測試結(jié)果

3.3 QCL驅(qū)動測試

采用發(fā)光波長為7.5 μm的中紅外QCL作為負載，驅(qū)動周期為200 μs，脈沖寬度為 2 μs，測試結(jié)果如圖7所示.

圖7 QCL功率曲線圖

當(dāng)驅(qū)動電流增至1 000 mA時，QCL開始發(fā)光.當(dāng)驅(qū)動電流達到1 700 mA時，QCL激射功率達到頂峰.隨著驅(qū)動電流繼續(xù)增加，QCL發(fā)光功率開始降低.

采用紅外傅里葉光譜儀對QCL激射光譜進行測量，結(jié)果如圖8所示.

圖8 QCL發(fā)光光譜

實驗中驅(qū)動周期為200 μs，脈沖寬度為2 μs，驅(qū)動電流為1.4 A.通過調(diào)節(jié)QCL工作溫度來控制其發(fā)光波長.

4 結(jié) 論

采用DSP和模擬PID控制技術(shù)所研制的激光供電發(fā)生器能夠長時間(大于100 h)驅(qū)動QCL.本激光供電發(fā)生器最窄驅(qū)動脈沖寬度為15 ns，峰值驅(qū)動電流為20 A，脈沖上升/下降時間小于5 ns，為高壓電氣設(shè)備監(jiān)測裝置在電網(wǎng)中的穩(wěn)定運行提供保障.