增大器

大功率LD泵浦激光器驱动电源能量管理策略

初华;孙斌;黎伟;万强;曹海源;韦尚方;田方涛

【摘要】针对大功率LD泵浦固体激光器对驱动电源的要求,提出能量管理的概念,

分别分析储能元件、开关元件、采样电阻、放电电阻在能量管理策略中的作用及降

低损耗的方法,最后得出结论:降低电源内阻,降低电容压降,可以提高能量利用率,增

加能量转化效率.经过具体实验结果分析,电源的能量转换效率可达到88％以上,验

证能量管理策略的可行性.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2015(045)004

【总页数】6页(P383-388)

【关键词】能量管理;驱动电源;固体激光;储能元件;开关元件

【作者】初华;孙斌;黎伟;万强;曹海源;韦尚方;田方涛

【作者单位】武汉军械士官学校光电技术研究所,湖北武汉430075;武汉军械士官

学校光电技术研究所,湖北武汉430075;武汉军械士官学校光电技术研究所,湖北武

汉430075;武汉军械士官学校光电技术研究所,湖北武汉430075;武汉军械士官学

校光电技术研究所,湖北武汉430075;武汉军械士官学校光电技术研究所,湖北武汉

430075;武汉军械士官学校光电技术研究所,湖北武汉430075

【正文语种】中文

【中图分类】TN248.1

1引言

近年来，随着大功率激光二极管(LD)固体激光器的快速发展，其应用变得十分广泛，

如大功率泵浦源、激光刻标、激光切割等［1－3］。作为实现高能激光的前提和

基础，激光器驱动电源技术已经成为高能激光的重要核心技术［4］。但是受电光

转换效率的制约，驱动电源的电能量最多只有60%～70%可以转换为激光能量输

出［5］，剩余的能量均以热能的形式耗散。对于已经设计完成的激光器而言，本

身的电光转换效率已经固定，只有提高驱动电源的电能输入，才能增加激光的能量

输出。因此，大功率LD固体激光器驱动电源的能量管理策略十分重要，其根本要

求是尽量减少电路自身的损耗，增加LD的功率输出，满足大功率的要求［6］。

针对这一要求，驱动电源多采用能量压缩技术与电流串联负反馈相结合，在激光器

空闲时间内，利用储能元件积累能量，然后通过开关器件将能量快速地释放，LD

上便可得到峰值电流很大、脉宽很窄的电流脉冲，以此获得大功率输出［7］。能

量管理策略即是通过对储能元件、开关器件、电流采样、放电回路等单元的设计和

控制，实现低损耗、高输出的要求，优化能量管理策略对于大功率高能激光器的实

现及应用具有十分重要的意义。

2系统原理

激光器驱动电源主要包含几个部分:能量源、储能元件、开关元件、采样元件、放

电单元等。其基本原理框图如图1所示。

图1系统原理框图Fig．1Structureofsystemelements

为实现激光器驱动电源高功率输出的要求，必须将电源的等效内电阻降到最低。激

光二极管阵列所需的电压是直流电压，而市电为220V、50Hz的交流电，要保证

激光器的输出，需要将交流电转换成直流电，因此选用大功率、高效率的AC/DC

电源作为能量源。储能元件的作用是将能量存储起来，在每次脉冲中，将所存储的

能量转换成泵浦能量释放出来。储能元件多选用电容元件，为满足大功率的要求，

其容值多在10000μF以上，但是单个电容的容值增大，体积也会增大，故在实际

使用中多采用数个小电容并联的形式。然而采用并联方式，电容的等效内阻及最大

充放电量均会发生变化，其并联电容的数量及工作方式均会影响驱动电源的能量管

理策略，故选择合适的方案十分重要。开关器件是高压触发脉冲启动的开关，通过

开关器件，能量将从电容中转移出来，开关的频率及时间长度，决定了脉冲的频率

及宽度，然而开关器件自身也有内阻，内阻虽然很少，但是对于激光二极管驱动阵

列而言，其阻抗不可忽略，尤其是在100A左右的大电流情况下，开关器件本身

的压降不可忽略。为了尽可能减少开关器件的损耗，提高能量利用率，开关器件的

选型和控制尤为重要。采样电阻的阻值必须尽可能的小，而且感抗要近似为0，随

温度变化系数也要小。激光二极管阵列自身的导通阻抗很小，采样电阻与其串联，

电阻上的电压变化即可反应LD中的电流变化，通过电流串联负反馈技术，便可精

确控制LD输出的电流。为使能量转换效率最大，采样电阻的阻值及选型十分重要。

综上所述，驱动电源中能量管理策略涉及到整个驱动电路的每个单元，一些微小的

参数都不可忽略。为提高能量利用率，降低电路自身损耗，提高功率输出，电路中

的每个单元都需要根据激光器的参数要求进行设计，其参数如表1所示。

表1激光器的性能参数指标Tab．1Performanceparametersoflar波长/nm

重复频率/Hz脉宽/μsLD电流/ALD电压/V10641～501～5001～150根据负

载自适应限压/V触发延时/μs调Q延时/μs触发方式充电电压/V1～4001～

10001～1000内/外触发1～400

3储能元件的控制

电容具有功率密度大、充电时间短、使用寿命长、充放电效率高等优异特性，是一

种广泛使用的储能元件［8］。利用电容的储能特性完成能量压缩，是实现大功率

LD激光器驱动电源的有效途径。所谓能量压缩技术［9］就是将能量源的能量在

空间和时间上的压缩。在空间上的压缩是指电路利用空闲时间段对储能电容进行充

电，使其具有足够的能量以增加存储的能量体密度;在时间上的压缩是指电路在工

作时间段，储存的能量以瞬时释放的方式给LD供电，LD上便可得到峰值电流很

大、脉宽很窄的电流脉冲。

3．1电容容值的计算

由阻容电路的充放电函数可知:

其中，V0为电容上的初始电压值;V1为电容可充到或放到的电压值;Vt为电容t时

刻的电压值;R和C为阻容电路的电阻和电容值;exp()函数为以e为底的指数函

数;ln()函数为以e为底的对数函数。

可以求出放电时要满足放电时间t的电容C=tp/(R×ln［V0/Vt］)。由表1可知，

激光器最大脉冲宽度为500μs，脉冲过程中只允许储能电容有10%的压降，以适

应LD电流的要求，故V0/Vt为1．11。电路总阻抗R与激光二极管阻抗RD、开

关器件阻抗RM、采样电阻及线路、电线、电容的总阻值RL相关，即总阻抗

R=RD+RM+RL，RD、RM、RL的确定与器件的选型及电路的设计有关。电容容

量按照最大设计的原则，电路总阻抗R≈2Ω。

因此，满足最大放电时间的最小电容容量Cmin=t/(R×ln［V0/Vt］)，代入

tp=500μs，R≈2Ω，V0/Vt≈1．11，可得Cmin=2373μF。

储能电容容量的确定除了要满足激光器脉冲宽度的要求外，还要满足激光器输出能

量的要求。激光器设有m个激光二极管阵列泵浦，每个阵列有n个靶条，所有的

阵列和靶条都是串联的，串联电流为Id，每个靶条的压降Vd为1．8V，输出功

率Pd为100W，脉冲宽度为tp。故激光器能量为Jd=m×n×Pd×tp，实际工作

中m×n=160，tp=500μs，故Jd=8J。

电容从时间t1到t2释放的能量为:

每个靶条压降Vd为1．8V，160个靶条的总压降，即LD的电压为288V。即

Vt2=280V，压降仍按照10%的要求，故Vt1=310V。因此，满足激光器输出能

量要求的最小电容容量Cmin=2WC/(Vt22－，可得Cmin=903．95μF。

由最大放电时间和最大输出能量确定的最小电容可知，储能电容的容量至少要

2500μF以上。上述结论是建立在LD允许压降10%得出的，在实际使用中，为保

证LD电压变化在1%左右，电容往往要远大于以上值，多选用12000μF。

3．2充电限流电阻的计算

储能电容在初始时刻电压值V0为0，如果将电压很高(400V)的直流电源直接加在

电容两端，充电电流将会很大，很可能直接发生爆炸。因此，电容充电过程必须加

限流电阻，如图1所示。由表1可知，LD的重复频率最高可达到50Hz，能量压

缩技术要求储能电容在空闲时间内充电，设重复频率为f，则充电时间，由阻容电

路的充放电函数可得，充电时间:tc=RC×ln［V1/(V1－Vt)］，故:

R≤电容C=10000μF，tp=500μs，电容最大可充电电压按照额定值的95%计算，

即Vt=0．95V1，可得R≤0．65Ω，实际使用中取R=0．5Ω。

随着电容两端电压的逐渐增大，充电电流逐渐减小，所以起始时刻的充电电流最大。

起始时刻电容两端电压为0，故直流电源电压直接加在限流电阻上，电阻瞬时功率

计算为

虽然时间很短，但是现有的电阻很难做到如此大的功率。因此，要控制直流电源的

输入电压，使电容两端电压缓慢上升。即整个电路在刚上电的过程中以10V/s的

频率缓慢升压，使储能电容缓慢充电，待正常工作后，由于选用10000μF的电容，

电容放电造成的压降很少，按1%计算，充电时也只有1%的电压加在限流电阻的

两端，此时电阻的功率只有:

因此只用一个小的50W的功率电阻即可实现，这也是选用12000μF这一远大于

理论计算电容容值的原因。

3．3电容连接方式的设计

为实现10000μF容值的大电容，可以有两种方式，一种是体积容量很大的单体电

容，另一种是将数个小电容通过串联或并联的方式形成的组合电容，两种电容如图

2所示。对于理想电容而言，二者都能满足容量的要求，但是在实际使用过程中，

电容都具有内阻，该内阻在电容充放电过程中的能量损耗，尤其是在电容充放电开

始时刻，由于电流很大，该内阻造成的损耗就不可忽略。LD驱动电源能量管理策

略要求电路损耗降到最低，必须通过合理的设计，实现低损耗、高输出的要求。单

体电容和组合电容的等效电路如图3所示。

图2储能电容Fig．2Energystoragecapacitance

图3电容的等效电路Fig．3Equivalentcircuitofcapacitance

由图3可知，对于单体电容而言，电容输出Uo=Uc+Id·R1，R1为电容的内阻，

主要由电极内阻、溶液内阻和接触电阻组成。组合电容是将n个小容量单体电容

并联工作，Id=I1+I2+……+In，(近似认为每个单体电容的内阻特性相同)。由两式

可以看出，并联方式可以降低内阻压降和内阻损耗，尤其是当Id比较大的时候，

组合电容的压降和损耗可以将电容效率达到最大值，因此，电容的连接方式应选用

单体电容并联成大的储能电容的形式。

4开关器件的控制

开关器件大多选用压控型功率半导体器件，例如金属－氧化物－半导体场效应管

(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。其作用是通过改变半导体器件的栅极电压

来改变LD的电流，产生所需要的电流波形。为了将不可避免的电路损耗降到最低，

实现能量管理策略的要求，开关器件的损耗必须降到最低。开关器件的功耗由通态

损耗、断态损耗、开通损耗和关断损耗组成。开关器件关断后相当于开路，故断态

损耗可以忽略。以IGBT(SKM100GB12T4)为例，分别讨论各种损耗。图4为

IGBT等效电路图。

图4IGBT的等效电路Fig．4EquivalentcircuitofIGBT

4．1通态损耗

由图5可见，IGBT的C极和E极通态饱和压降VCE(on)是一个变量，其值与集电

极电流IC，器件结温Tj，以及栅极电压VGE有关。通态功耗Pon=IC×VCE(on)，

当Tj=25℃，IC=150A时，VCE(on)=2．3V。由此可计算出通态功耗

Pon=345W，能量为

Pon×tp≈0．2J。

图5VCE与IC关系图Fig．5RelationofVCEandIC

由VCE(on)和IC可以近似计算出IGBT的等效阻抗RIGBT=VCE(on)/IC，仍在

25℃条件下，可计算RIGBT=0．015Ω。若采用功率MOSFET作为开关器件，

其等效的阻抗RDS=0．2Ω左右，具有很高的电阻率，尤其是相对于LD而言，阻

抗大，功耗也会增大。但是MOSFET的开关频率快、输入阻抗高，因此，在选用

开关器件时，当开关频率不是很快的情况下(＜50Hz)，多选用IGBT作为开关器

件。

4．2开关损耗

由于IGBT器件存在米勒电容，栅极和发射极之间、栅极和集电极之间都可以等效

为一个电容，在IGBT开通和关断期间，集电极与发射极之间会产生很高的电压变

化dv/dt，该dv/dt会通过米勒电容在栅极产生脉冲电压，如果栅极脉冲电压超

过栅极阈值电压，IGBT将会瞬时开通，此时其相对的IGBT处于开通短路状态，

形成瞬时短路电流，该电流增加了器件损耗，降低了运行可靠性。此电流在空载时

最严重，因为dv/dt最大。因此要设计低阻抗的栅极驱动电路和尽可能短的驱动

电路布局，而且栅极加－5～－15V的负偏压，减小关断损耗。

由图6可以看出，IGBT的开关损耗与栅极电阻RG有关，电阻增大，UGE前后沿

变缓，IGBT开关过程延长，开通损耗增加。单当RG太小时，可导致IGBT栅极、

发射极电压振荡，集电极di/dt增加，引起IGBT集电极产生尖峰电压，增大器件

损耗，并可能使IGBT损坏。因此，应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开

关频率选取RG值，并应在IGBT栅极和发射极之间并联阻值为10kΩ左右的

RGE［10］。

图6开关损耗与IC、RG的关系Fig．6Relationofbetweenon－offwastage

andIC/RG

5采样电阻和放电电阻

采用电流串联负反馈技术的驱动电源，采样电阻必须是无感精密电阻。采样电阻上

的电流变化，引起电压的变化，电压经过运算放大器与参考电压比较后形成闭环网

络，以此控制IGBT栅极电压，从而使LD放电回路的电流保持恒定，改变参考电

压就可改变LD电流。普通的电阻不可避免的会有寄生电感，当电流发生变化时，

电阻两端电压就会产生振荡，采样就会不准，因此，采样电阻必须采用无感电阻。

电阻阻值相对于LD负载而言不能太大，其典型值为0．01Ω，因此采样电阻本身

的功耗可以计算为PR=Id2×R×tp=150A2×0．01Ω×500μs=112．5mW。故

采样电阻本身功耗很小。

放电电路是为了保护IGBT及LD，当电路出现故障时，IGBT无法关断，储能电容

上的所有储存能量都转移到LD上，由于储存能量是单脉冲能量的许多倍，发生这

种故障时，耗散热足以融化LD阵列组连接到散热器上的焊料，时间足够长的话，

将会烧掉激光二极管组件。因此必须加放电回路，当检测到IGBT无法关断时，及

时通过MOSFET管和放电电阻将储存在电容上的电放掉，保护IGBT和LD。此时，

电容储存的能量完全以热能的形式耗散在放电电阻上。放电电阻的耗散能量等于储

能电容储存的能量，放电电阻可选用一个50W/50Ω的水泥电阻放电。

6电源测试结果分析

电源能量管理策略要求电路自身损耗最少，能量转换效率最高。激光二极管的能量

为:

从储能电容中得到的能量为:

储能电容:

因此可计算能量利用率:

其中，R为电路总阻抗;R=Rd+RM+RL，ΔV=V1－V2为电容的压降。式中右边

第一项Rd/R为电路损耗的极限，在一个激光器电源设计完成后，内阻抗相对于

LD负载阻抗越小，其能量利用率越高。式中第二项表示电容压降ΔV越小，其值

越接近于1，能量利用率可达到极限效率。因此提高能量利用率的方法为降低电源

内阻，降低电容压降。

表2所示为试验数据，其中，采用的电容容量为12000μF，脉冲时间为500μs。

试验过程中测量值最小分辨率为1V，存在一定的误差，但可以看出，随着LD电

流的增大，其需要的能量也增多，电容的压降也相应增大，以释放更多能量满足负

载要求，电源效率可达到88%以上。

表2实验数据Tab．2Experimentdate电流/A电容电压/V电容压降/V负载电

压/VLD能量/J电容放电能量/J效率/%5012021002．52．85687．5480

13031104．44．62695．111．06．62490．58

7结论

针对大功率LD驱动电源对能量管理的要求，文中对储能电容元件、开关元件、采

样电阻和放电电阻进行了详细地研究。分别对电容容量、充电电阻阻值、电容连接

方式进行了仔细设计，对开关元件各种损耗进行了详细计算，对采样电阻、放电电

阻进行了细致分析，最后经过试验验证，计算出电源的能量转化效率，能量利用率

可达到88%以上。采用此能量管理策略研制的大功率LD驱动电源在6路相干合

成固体激光器中得到很好的应用，如图7所示，实现了35J的高能输出，能量利

用率得到大幅提高。下一步将研究大功率LD驱动电源阵列的能量管理策略，实现

阵列电源的多路输出，提高能量转换效率，并努力在工程实践中实现应用。

图7实物图Fig．7practicalitypicture

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