CN108321676A - 半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法，该方法的实现是基于脉冲驱动电源系统；所述脉冲驱动电源系统包括输入电压源U_in、半导体激光器泵浦LD、续流二极管D、电流给定环节、闭环调节电路和采样电阻。该方法内容为：在所述脉冲驱动电源系统产生额定脉冲电流指令以前，预先产生一个较小的电流指令信号，此时半导体激光器不会发射激光，待微小电流控制稳定后，电流给定环节再产生额定脉冲电流的指令信号，然后再控制半导体激光器电流按照额定电流指令信号要求的斜率上升到所需的额定电流值。本发明解决了在脉冲电流上升过程中出现的振荡和过冲问题，以及负载电流相对于指令信号的延迟问题。

Description

半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法

技术领域

本发明属于大功率半导体激光器驱动电源技术领域，具体而言，涉及大电流、大功率脉冲驱动电源技术；特别涉及一种半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法。

背景技术

随着激光产业的发展，大功率半导体激光器在军事领域获得了广泛的应用，特别是在激光武器、激光制导、激光雷达等领域，这对作为激光器重要组成部分的激光器驱动电源也提出了更高的要求。大功率半导体激光器要产生大能量的光脉冲，就需要一个能提供大功率的脉冲驱动电源，其不仅要求输出电压足够高，脉冲电流足够大，同时为了避免对半导体激光器产生损坏，要保证输出的脉冲电流波形近似矩形波，即脉冲顶部平滑，无过冲产生且上升前沿陡峭，要求电流上升沿在20μs以内，幅值200A左右。

半导体激光器的P-I特性曲线描述了激光器的输出光功率和输入激励电流之间的关系，对半导体激光器驱动电源研制有着非常重要的指导意义。其特性曲线如图1所示，从图中可以看出，在注入电流超过阈值电流后，注入电流与激光器输出光功率存在一定的线性关系。随着注入电流的增大，激光输出功率随之变大。因此在半导体激光器的使用中，可以通过改变注入电流的大小来控制激光输出的强度，不同的半导体激光器阈值电流大小不同。

图2所示是MOSFET的栅源电压U_GS和漏极电流I_D的关系曲线图。从图中可以看出，MOSFET阀值电压U_th约为4.8V，当MOSFET的栅源电压U_GS大于阈值电压U_th时，栅源电压U_GS和漏极电流I_D之间具有近似的线性关系。因此，当MOSFET工作在饱和区，即线性状态时，可以用栅极驱动电压控制其漏极电流。驱动电压升高到8V左右时MOSFET将进入非饱和区，即完全导通状态，此时的电流大小由外电路决定。

在目前脉冲驱动电源的技术下，采用电压型功率器件时，由其开启阀值电压引起的非线性，使脉冲电流上升过程中很容易出现振荡与过冲，脉冲电流一旦出现较大的过冲，极易损坏半导体激光器负载；此外，还会使负载电流相对于给定信号产生一定的延迟时间，不容易控制负载电流的上升过程。因此亟需探索一种解决脉冲电流上升过程中出现的振荡和过冲，及负载电流相对于给定信号存在延迟问题的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术中的缺点，提供一种半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法。通过采用微小电流预启动方法，解决在脉冲电流上升过程中出现的振荡和过冲问题，及负载电流相对于给定信号的延迟问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法，该方法的实现是基于脉冲驱动电源系统；所述脉冲驱动电源系统包括输入电压源U_in、半导体激光器泵浦LD、续流二极管D、电流给定环节、闭环调节电路和采样电阻；所述输入电压源为半导体激光器提供能量；所述半导体激光器泵浦作为系统的核心部分提供泵浦输入；所述续流二极管D为半导体激光器提供续流通道；所述电流给定环节输出所述脉冲驱动电源系统所需的脉冲电流指令信号i_ref；所述电流给定环节包括DSP处理器、DA数模转换芯片和给定积分器；所述闭环调节电路包括调节器、信号放大器和开关管MOSFET；所述闭环调节电路用于调节脉冲电流i_L大小，使之平滑稳定；所述采样电阻用于对半导体激光器中的电流进行采样然后将反馈电流i_f送给闭环调节电路；

该方法内容如下：在所述脉冲驱动电源系统产生额定脉冲电流指令以前，预先产生一个较小的电流指令信号，经调节器闭环调节放大后，使MOSFET的栅极驱动电压达到开启阈值电压，并工作在MOSFET输出特性的饱和区，即工作于线性放大状态，负载上产生与之相对应的微小电流，并且保证该电流在半导体激光器的发光阈值电流以下，此时半导体激光器不会发射激光，待微小电流控制稳定后，电流给定环节再产生额定脉冲电流的指令信号，然后再控制半导体激光器电流按照额定电流指令信号要求的斜率上升到所需的额定电流值。此时半导体激光器上的电流会立刻跟随指令电流的变化，从而克服了电压控制型器件的开启阀值电压引起的非线性问题。半导体激光器在微小电流的情况下不会产生激光，从而不会对半导体激光器的正常工作有任何的影响，并且能够解决在脉冲电流上升过程中出现的振荡和过冲问题，以及负载电流相对于指令信号的延迟问题，同时有利于闭环调节器参数的设计。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种半导体激光器电流上升过程的控制方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明通过采用微小电流预启动方法，解决了在脉冲电流上升过程中出现的振荡和过冲问题，以及负载电流相对于指令信号的延迟问题，同时有利于闭环调节器参数的设计。

附图说明

图1为半导体激光器P-I关系曲线图；

图2为MOSFET的栅源电压U_GS和漏极电流I_D的关系曲线图；

图3为脉冲驱动电源系统图；

图4为图3对应的传统启动方法指令信号下的波形图；

图5为图3对应的微小电流预启动方法指令信号下的波形图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明，此处描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明为一种半导体激光器电流上升过程的控制方法，该方法内容如下：该方法的实现有赖于脉冲驱动电源系统，如图3所示，所述脉冲驱动电源系统包括输入电压源U_in、半导体激光器泵浦LD、续流二极管D、电流给定环节、闭环调节电路和采样电阻；所述输入电压源U_in为半导体激光器提供能量；所述半导体激光器泵浦LD作为系统的核心部分提供泵浦输入；所述续流二极管D为半导体激光器提供续流通道；所述电流给定环节输出所述脉冲驱动电源系统所需的脉冲电流指令信号i_ref；所述电流给定环节包括DSP处理器、DA数模转换芯片和给定积分器，所述闭环调节电路包括调节器、信号放大器和开关管MOSFET；所述闭环调节电路用于调节脉冲电流i_L大小，使之平滑稳定；所述采样电阻用于对半导体激光器中的电流进行采样，然后将反馈电流i_f送给闭环调节电路。

本发明采用大功率MOSFET为主功率调节器件，以实现大电流脉冲输出，MOSFET的栅极驱动电压为u_G。

对图3中的脉冲电源系统工作过程进行描述，电路初始状态：负载电流i_L的值为零；采样电阻电流信号i_f为零。当电流给定环节输出脉冲电流指令信号i_ref时，MOSFET的栅极驱动电压u_G在闭环系统调节的作用下开始逐渐升高，当栅极驱动电压u_G升高到阈值电压U_th时，开关器件MOSFET开始工作并进入饱和区，即工作在线性放大状态，负载电流i_L按照额定电流指令信号要求的斜率开始上升。随着MOSFET的栅极驱动电压u_G逐渐升高，负载电流i_L也在闭环调节器的作用下逐渐增大到负载电流额定值I_L1。脉冲驱动电源的开启过程到此结束，负载电流i_L稳定在额定值I_L1。

图4为图3对应的传统启动方法下的波形图。图4中i_ref为脉冲电流指令信号，u_G为开关器件MOSFET上的栅极驱动电压，U_th为MOSFET的开启阈值电压，i_L为流过半导体激光器的负载电流，设定所需的脉冲电流指令信号额定值为I_ref1，对应的MOSFET栅极驱动电压为U_G1，负载电流额定值为I_L1。

由图4可得，在t₁时刻电流给定环节开始产生脉冲电流指令信号i_ref，i_ref由零线性增加，随着闭环调节电路的作用，MOSFET的栅极驱动电压u_G随之升高，直到t₂时刻达到开启阈值电压U_th，MOSFET开始工作并进入饱和区，即工作在线性放大状态，电路中的负载电流i_L开始由零增加，此时电流指令信号远大于电流反馈信号，在闭环调节器的作用下，驱动信号会快速增加；t₂-t₃期间，脉冲电流指令信号i_ref继续增大，MOSFET工作在线性放大状态，负载电流i_L在闭环调节器的作用下会迅速增加，其上升斜率远大于电流指令信号的上升斜率，当负载电流迅速增加到电流指令信号给定的电流值后，会产生过冲，此期间，在闭环调节器的作用下，MOSFET栅极驱动电压u_G在增加过程中也会产生波动，使负载电流i_L跟随指令电流的增加过程中存在振荡现象；到t₃时刻，脉冲电流指令信号i_ref增加到额定值I_ref1后保持稳定，负载电流i_L增加到额定电流后会出现电流过冲，之后稳定在额定电流I_L1；t₃-t₄时间段内，半导体激光器负载发出激光；到t₄时刻时，脉冲电流指令信号i_ref开始下降，MOSFET栅极驱动电压u_G随之下降并关断，负载电流i_L经过续流二极管D续流，并很快降为零，一个脉冲周期完成。

由图4分析可得，在t₁-t₂时间段内负载电流i_L相对于脉冲电流指令信号i_ref具有一定的延迟时间，会引起负载电流i_L在上升过程中产生振荡现象，并在达到额定电流时出现电流过冲，有可能损坏半导体激光器。

针对传统启动方法存在的问题，本发明提出了微小电流预启动方法。具体实施过程如图5所示。

图5为图3对应的微小电流预启动方法下的波形图。其中，i_ref为微小电流预启动方法中的脉冲电流指令信号，u_G为开关器件MOSFET上的栅极驱动电压，U_th为MOSFET的阈值电压，i_L为流过半导体激光器的负载电流，设定脉冲电流指令信号预先发出的微小电流的大小为I_min，对应流过半导体激光器负载的微小电流为I_Lmin；所需的脉冲电流指令信号额定值为I_ref1，对应MOSFET驱动电压为U_G1，负载电流额定值为I_L1。

由图5可知，在t₁时刻电流给定环节开始发出脉冲电流指令信号i_ref，在i_ref发出所需额定脉冲电流指令信号之前预先产生一个微小电流指令信号I_min，MOSFET的栅极驱动电压u_G在闭环调节器的作用下快速达到开启阈值电压，此时MOSFET开始工作并进入饱和区，即工作在线性放大状态，负载电流i_L开始增长，到t₂时刻，负载电流i_L上升到微小电流额定值I_Lmin，负载电流在此上升期间也会出现振荡和过冲，但是由于微小指令电流的数值很小，远远小于半导体激光器的阈值电流，因此对半导体激光器没有任何影响，半导体激光器也不会发射激光；t₂-t₃时间段内，脉冲电流指令信号i_ref的值稳定在I_min，MOSFET驱动电压u_G稳定在阈值电压U_th附近，负载电流i_L稳定在负载微小电流I_Lmin；到t₃时刻，脉冲电流指令信号i_ref需要产生所需额定脉冲电流的指令信号，i_ref开始从I_min线性增加，由于MOSFET已经工作在线性放大状态，此时负载电流i_L在闭环调节器的作用下，立刻跟随额定电流指令信号上升；直到t₄时刻，脉冲电流指令信号i_ref增大到所需额定值I_ref1后保持稳定，MOSFET栅极驱动电压u_G也随之增加到U_G1，负载电流i_L能够很好的跟随脉冲电流指令信号i_ref增大到额定值I_L1后并保持稳定；t₄-t₅时间段内，半导体激光器负载发出激光；t₅时刻后，脉冲电流指令信号i_ref开始下降，MOSFET栅极驱动电压u_G随之下降并关断，负载电流i_L经过续流二极管D续流，并很快降为零，一个脉冲周期完成。

由图5分析可得，在t₃时刻额定电流指令信号产生之前，MOSFET已经工作在线性放大状态，t₃-t₄期间，负载电流i_L能够快速的跟随指令电流信号的增加，消除了负载电流相对于脉冲电流指令信号i_ref的延迟问题，同时可以解决传统启动方法中负载电流增加过程中的振荡和过冲问题，有利于闭环调节器参数的设计。

Claims (1)

1.一种半导体激光器脉冲电源微小电流预启动方法，该方法的实现是基于脉冲驱动电源系统；所述脉冲驱动电源系统包括输入电压源U_in、半导体激光器泵浦LD、续流二极管D、电流给定环节、闭环调节电路和采样电阻；所述输入电压源为半导体激光器提供能量；所述半导体激光器泵浦作为系统的核心部分提供泵浦输入；所述续流二极管D为半导体激光器提供续流通道；所述电流给定环节输出所述脉冲驱动电源系统所需的脉冲电流指令信号i_ref；所述电流给定环节包括DSP处理器、DA数模转换芯片和给定积分器；所述闭环调节电路包括调节器、信号放大器和开关管MOSFET；所述闭环调节电路用于调节脉冲电流i_L大小，使之平滑稳定；所述采样电阻用于对半导体激光器中的电流进行采样然后将反馈电流i_f送给闭环调节电路；

其特征在于：该方法内容如下：

在所述脉冲驱动电源系统产生额定脉冲电流指令以前，预先产生一个较小的电流指令信号，经调节器闭环调节放大后，使MOSFET的栅极驱动电压达到开启阈值电压，并工作在MOSFET输出特性的饱和区，即工作于线性放大状态，负载上产生与之相对应的微小电流，并且保证该电流在半导体激光器的发光阈值电流以下，此时半导体激光器不会发射激光，待微小电流控制稳定后，电流给定环节再产生额定脉冲电流的指令信号，然后再控制半导体激光器电流按照额定电流指令信号要求的斜率上升到所需的额定电流值；此时半导体激光器上的电流会立刻跟随指令电流的变化，从而克服了电压控制型器件的开启阀值电压引起的非线性问题；半导体激光器在微小电流的情况下不会产生激光，从而不会对半导体激光器的正常工作有任何的影响，并且能够解决在脉冲电流上升过程中出现的振荡和过冲问题，以及负载电流相对于指令信号的延迟问题，同时有利于闭环调节器参数的设计。