CN107423490A

CN107423490A - 一种提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动策略

Info

Publication number: CN107423490A
Application number: CN201710501074.7A
Authority: CN
Inventors: 金科; 惠琦; 冯思宇; 周玮阳
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: CN107423490B

Abstract

本发明公开一种提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动策略,属于激光无线电能传输和功率变换技术领域。首先提出一种四参数LD等效电路模型，其不依赖LD内部参数，可较好表征LD的光功率‑驱动电流‑端电压(P‑I‑V)特性，精度与已有的精确等效模型接近，尤其适合于估计LD在不同驱动条件下的电光转换效率。基于该模型，针对不同光功率输出条件下分别给出能使LD电光转换效率最优的驱动电流波形：在效率最高点前采用定幅值、调脉宽的脉冲电流驱动，在效率最高点后采用变幅值恒流驱动。该驱动策略能大幅提升低光功率输出条件下LD的工作效率并使得激光器在任何条件下始终获得最优转换效率，从而提高激光发射端整体的电光转换效率，控制策略简单。

Description

一种提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动策略

技术领域

本发明公开了一种提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动策略，属于激光无线电能传输和功率变换技术领域。

背景技术

激光因其能量密度高、定向性好等优点，适合用于中远距离无线电能传输，如为无人机、机器人和轨道卫星等提供远程供能，近年来受到广泛关注。半导体激光器(LaserDiode,LD)作为激光源的一种，实现电光能量转换，自问世以来，就因其在体积、重量、转换效率、可靠性等方面的显著优势，在通信、测量、传感、军事等众多领域发挥了极大作用。

图1为激光无线电能传输系统的通用结构，其中LD是发射端的重要部件，其转换效率对系统整体的电能传输效率有着直接的影响。目前大功率LD大部分采用恒流方式驱动，当光功率输出较小时往往效率很低，阻碍了激光无线电能传输技术的发展和应用，因此提高LD的电光转换效率对提高激光无线电能传输效率具有重要理论意义和实际应用价值。

LD也是激光无线电能传输系统中的核心部件，提高LD的电光转换效率，即能有效提高系统发射端的效率。由于LD的物理特性，不同驱动电流对于LD的电光转换效率影响甚大，而国内外关于不同驱动波形对LD电-光转换效率的研究甚少。同时，现有存在的大量LD等效电路模型均依赖于激光器内部参数，而市面上可以购得的商用激光器一般不会公开这些参数，这造成了对于LD建模的困难，因此难以基于现有的模型给出不同条件下使得LD电光转换效率最高的驱动波形函数。

发明内容

本发明所解决的问题，是针对上述背景技术中的不足之处，给出一种提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动策略。

本发明的目的是这样实现的：

为了解决现有技术存在的问题，本发明的解决方案是：

一方面，本发明提供了一种用于估计半导体激光器在不同驱动条件下的电光转换效率的等效电路模型，该模型的输入侧表征LD(半导体激光器)的伏安关系曲线，输出侧用受控电压源表征LD的输出光功率大小(电压幅值直接表示光功率大小，1V代表1W)，

而当所需输出光功率P_n大于P_epk时，采用幅值为I_n的恒定电流对LD驱动可获得最高光电转换效率的驱动电流，并且驱动电流与恒流驱动一致：

步骤五、综上得到提高LD电光转换效率的最优驱动电流波形函数的综合表达式为：

最后，本发明提供了一种产生提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动电流波形函数的装置，其特征在于，其上述的最优驱动电流波形函数的计算方法计算得到电流给定信号，通过加法器，与采样得到的激光器输入电流信号相减，获得误差信号，该误差信号经过调节器调节获得驱动信号，经过驱动电路放大，控制电力电子变换装置产生与电流给定信号一致的激光器驱动波形。

进一步地，所述驱动电流的波形控制可采用PI调节器的方式、单周控制的方式、滞环控制的方式或开环等方式进行。

进一步地，所述PI调节器与采用四相交错并联Buck变换器搭建驱动电源。

本发明的有益效果是：

本发明给出了一种用于估计半导体激光器在不同驱动条件下的电光转换效率的等效电路模型，所提出的等效电路模型不依赖LD内部参数，可由激光器的数据手册直接获取，可较好表征LD的光功率-驱动电流-端电压(P-I-V)特性，在直流特性、低频大信号响应方面，该模型的精度与现有精确等效模型十分接近，因此适合用于估计LD在不同驱动条件下的电光转换效率。

本发明给出了能使得半导体激光器电光转换效率最优的驱动电流波形函数的计算方法，针对不同光功率输出条件下分别给出能使LD电光转换效率最高的驱动电流波形：在效率最高点前采用定幅值、调脉宽的脉冲电流驱动，在效率最高点后采用变幅值恒流驱动。该驱动策略适用于大部分半导体激光器采用该波形对LD进行驱动，能大幅提升低光功率输出条件下LD的工作效率并使得激光器在任何条件下始终获得最优转换效率，从而提高激光发射端整体的电光转换效率，控制策略简单，易于采用电力电子变换装置实现，具有实际应用价值。

附图说明

图1是激光电能传输系统的通用结构图；

图2是提出的简化LD等效电路模型；

图3(a)和图3(b)是简化LD等效电路模型与现有精确模型的对比；

图4是LD一般具有的P‐I‐V特性示意图；

图5(a)和图5(b)是恒流驱动下LD的电光转换效率；

图6(a)和图6(b)是提出的LD最优驱动波形控制策略；

图7是LD最优驱动波形的一种具体实现形式。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图2是提出的简化LD等效电路模型，输入侧表征LD的伏安关系曲线，输出侧用受控电压源表征LD的输出光功率大小(电压幅值直接表示光功率大小，1V代表1W)。

LD采用恒流驱动时，具有如下的直流特性：

其中R_s为等效串联电阻，I_s是反向饱和电流，V_jth为准费米能级箝位电压，m是本征理想因子，k是Boltzmann常数，q是电子电量，对于特定的激光器，这些量都是常数，可由激光器的数据手册直接获取，可较好表征LD的光功率-驱动电流-端电压(P-I-V)特性。T是温度，商用激光器一般具有非常良好的热沉，稳态工作时温度恒定，因此T也认为不变，可将这些参数统一为恒量C。以上公式只对恒流驱动成立，然而，当采用低频大信号对LD进行驱动时，忽略小的震荡，可近似认为其端电压特性与直流特性一致。综上所述，LD两端的电压与驱动电流V-I关系可简化为：

注意到阈值电流前，端电压表达式存在非线性，而考虑到实际LD的端电压在阈值电流前快速上升，接近线性，因此引入一个没有实际物理意义的并联电阻R_p替代复杂的对数函数，将V-I关系进一步化简为：

据上式可以得到图2所示模型的输入端等效电路。

恒流驱动条件下，LD输出光功率可由下式表示：

其中，n_q为量子效率，α_i为内部损耗系数，α_m为镜像损耗系数，hv为光子能量，这些都是常数，可综合为另一常数，即功率斜率K。类似输入端，对于低频大信号直接用直流特性替代，可得光输出功率的表达式：

用一个受控源并联一支二极管，可表示该式。

据此得到图2所示模型的输出端等效电路。

该模型与已有的精确模型在PSpice软件中仿真结果对比如图3(a)和图3(b)所示，图3(a)为直流特性，图3(b)为动态特性。可见两者对于在直流特性、低频大信号响应方面几乎没有差别，因此可用提出的简化模型来对LD进行电路级仿真和效率估算。

提出的简化模型一共需要4个参数，商用激光器均会给出P-I-V特性曲线，V_jth、I_th和K一般也会作为重要参数直接给出(如图4所示)，R_p可通过数据拟合的方式获得。

在该模型的基础上，很容易可以推导得到低频大信号电流驱动下，瞬时LD的电光转换效率与电流幅值关系：

这一曲线如图5(a)和图5(b)所示，图5(a)为I_epk>I_lim，图5(b)为I_epk≤I_lim。电光转换效率随驱动电流幅值具有先上升后下降的关系。不难发现存在效率最高驱动电流I_epk以及该电流对应的输出功率P_epk：

P_epk＝K(I_epk-I_th) (8)

应当指出，I_epk和P_epk数值上均有可能会超过LD的许用范围和绝对最大值(I_lim及P_lim)，即如图5所示。因此LD最优驱动波形分两种情况讨论。

第一种情况，当I_epk>I_lim时，如图5(a)所示，数学上可以证明，采用幅值为I_lim，脉宽为D1的矩形波电流对LD驱动可获得最高光电转换效率的驱动电流，同时不至于使LD损坏。

第二种情况，当I_epk小于等于I_lim时，则进一步判断所需输出光功率P_n和P_epk的关系。

如图5(b)所示，数学上可以证明，当所需输出光功率P_n小于等于P_epk时，采用幅值为I_epk，脉宽为D2的矩形波电流对LD驱动可获得最高光电转换效率的驱动电流，

而当输出光功率P_n大于P_epk时，采用幅值为I_n的恒定电流对LD驱动可获得最高光电转换效率的驱动电流，并且驱动电流与恒流驱动一致，其中I_n的表达式为：

综上得到的综合表达式为：

此即提出的最优驱动波形函数，可对应得到控制策略如图6(a)和图6(b)所示，其中，图6(a)是最优驱动电流给定信号的计算方法，图6(b)是一种可能的控制框图。

图6(a)所描述的最优驱动电流给定信号的计算方法实际上是上述最优驱动波形函数的另一种表示，具体描述如下:

(i)首先判断所需输出光功率P_n是否未超过激光器额定输出功率P_lim，如果未超过，则可以采用本发明提出的最优驱动策略，执行步骤(ii)否则结束；

(ii)计算出电光转换效率最高点对应的驱动电流幅值I_epk并记录该点的输出光功率P_epk；

(iii)若I_epk小于等于I_lim，则进一步判断P_n和P_epk的关系，执行步骤(iv),否则执行步骤(v)；

(iv)若P_n小于等于P_epk,则采用幅值为I_epk的脉冲电流驱动，否则采用恒流驱动；

(v)采用幅值为I_lim的脉冲电流驱动。

图6(b)是具体采用电力电子装置实现时的一种常规控制框图。首先根据图6(a)描述的最优驱动电流计算方法计算得到电流给定信号，通过加法器，与采样得到的激光器输入电流信号相减，获得误差信号，该误差信号经过调节器调节获得驱动信号，经过驱动电路放大，控制电力电子变换装置产生与给定一致的激光器驱动波形。

应当指出，虽然电流给定信号的产生采用了程序框图的形式来描述，但同样可以采用模拟电路等方式实现；此外，图6(b)的最优驱动波形控制策略给出的是常规的闭环控制方式，调节器并没有限定具体形式，常规PI调节器可以胜任，而单周控制、滞环控制甚至是开环等方式同样有可能实现驱动电流波形控制，因此此处图6(b)仅为示意。

基于提出的最优驱动策略，采用四相交错并联Buck变换器和PI调节器搭建了一种可能的驱动电源模型，如图7所示。仿真表明提出的最优驱动控制策略能有效提高LD电光转换效率。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种用于估计半导体激光器在不同驱动条件下的电光转换效率的等效电路模型，该模型的输入侧表征LD(半导体激光器)的伏安关系曲线，输出侧用受控电压源表征LD的输出光功率大小(电压幅值直接表示光功率大小，1V代表1W)，所述受控电压源与一支二极管并联，当采用低频大信号对LD进行驱动时，该模型的输入端等效电路的LD两端的电压与驱动电流V-I关系为：

该模型的输出端等效电路的LD输出光功率由下式表示：

其中，R_s为等效串联电阻、I_s为反向饱和电流、V_jth为准费米能级箝位电压、I_th为阈值电流、K为功率斜率，R_p为引入的一个没有实际物理意义的并联电阻替代复杂的对数函数，其可通过数据拟合的方式获得，C为恒量。

2.一种提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动电流波形函数的计算方法，具体如下:

步骤一、首先判断所需输出光功率P_n是否未超过激光器额定输出功率P_lim，如果未超过，执行步骤二，否则结束；

步骤二、计算出恒流驱动条件下电光转换效率最高点对应的驱动电流幅值I_epk并记录该点的输出光功率P_epk，

P_epk＝K(I_epk-I_th) (8)

步骤三、若I_epk大于激光器额定最大电流I_lim，采用幅值为I_lim、脉宽为D₁的矩形波电流对LD驱动可获得最高光电转换效率的驱动电流:

其中

步骤四、若I_epk小于等于激光器额定最大电流I_lim，则进一步判断所需输出光功率P_n和P_epk的关系，

当所需输出光功率P_n小于等于P_epk时，采用幅值为I_epk、脉宽为D₂的矩形波电流对LD驱动可获得最高光电转换效率的驱动电流，:

其中

<mrow> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>n</mi> </msub> <mi>K</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 1

3.一种产生提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动电流波形函数的装置，其特征在于，其根据权2的最优驱动电流波形函数的计算方法计算得到电流给定信号，通过加法器，与采样得到的激光器输入电流信号相减，获得误差信号，该误差信号经过调节器调节获得驱动信号，经过驱动电路放大，控制电力电子变换装置产生与电流给定信号一致的激光器驱动波形。

4.根据权3所述的产生提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动电流波形函数的装置，其特征在于，所述驱动电流的波形控制可采用PI调节器的方式、单周控制的方式、滞环控制的方式或开环等方式进行。

5.根据权4所述的产生提高半导体激光器电光转换效率的最优驱动电流波形函数的装置，其特征在于，所述PI调节器与采用四相交错并联Buck变换器搭建驱动电源。