CN110323667A - 一种高功率激光器驱动电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率激光器驱动电源装置，其包括整流电路、DC/DC稳压模块、隔离DC/DC模块、交错并联模块、控制模块、电压采样模块、电流采样模块、输出开关、续流二极管。本发明专利中的DC/DC稳压模块将输入电压转换成恒定的直流电压，并利用电容滤波和储能，隔离DC/DC模块将输入的直流电压变换成较低电压等级，作为交错并联模块的输入，交错并联模块与DC/DC稳压模块串联，作为激光器电源的输出。本发明专利可以实现激光器驱动电源的高效率和低电流纹波输出。

Description

一种高功率激光器驱动电源装置
技术领域
本发明涉及一种激光器驱动电源装置。
背景技术
近年激光技术在制造、军工、国防、医疗、通信等领域得到了广泛的应用，激光器驱动电源作为激光系统中的核心部件之一，其性能的直接影响激光系统的性能和使用寿命。对于大功率激光器，需要采用恒定电流或恒定脉冲电流驱动，激光器对电流纹波要求较高。为了达到较低的电流纹波，现有方案通常采用线性电源，即功率器件运行在放大区，这种方案效率低，损耗大，尤其是在大功率激光器应用场合热损耗尤为明显。
为了解决线性电源效率低下问题，目前激光器驱动电源也会采用开关电源方案，为实现低电流纹波，开关电源必须采用电感和电容进行滤波，滤波后的电流脉冲上升和下降速度也无法与线性电源媲美，在一些对激光电源品质要求高的场合无法使用。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种具有低纹波电流、高效率的高功率激光器驱动电源。
本发明所述的激光器驱动电源由整流电路、预充电电路、DC/DC稳压模块、隔离DC/DC模块、交错并联模块、控制模块、电压采样模块、电流采样模块、输出开关、续流二极管组成。
上述激光驱动电源的整流电路，将工频交流电转化为直流电，整流电路由三相不控整流桥构成，除可以交流供电外，也可以适用直流供电，例如将蓄电池接入到输入端任意两极。
优选地，所述的预充电电路采用电阻与接触器并联，所述的预充电电路用于限制上电时的冲击电流，使母线滤波电容缓充电。
所述激光器电源的DC/DC稳压模块，将整流模块输出的直流电压变换为激光器所需的电压等级，DC/DC稳压模块可以是Buck电路、Boost电路或升/降压电路拓扑结构。根据激光器所需的电压等级选配不同的电路拓扑，在激光所需电压小于输入电压应用场合，选用Buck电路，在激光所需电压大于输入电压的应用场合，在激光电源电压与输入电压相近的场合选用升降压电路。
所述的激光器驱动电源隔离DC/DC模块，其输出与输入通过高频隔离变压器进行隔离，优选地，所述隔离DC/DC模块采用LLC谐振软开关拓扑，通过控制开关频率来控制输出电压。
所述交错并联模块是有多个Buck电路交错并联构成，交错并联模块用于控制激光器的电流。
优选地，所述控制模块选用数字信号处理器(DSP)，所述控制模块用于控制交错并联模块的使能，并作为电源的故障保护单元对所述电源的输出过压、输出过流、输出欠电流、输入欠压故障做成保护。同时，所述的控制模块还具备对外通信接口。
优选地，所述的输出开关采用IGBT，所述输出开关用于控制电源脉冲的输出。
优选地，所述的续流二极管选用快恢复二极管，所述的续流二极管主要作用是在所述的输出开关关断时刻提供电流的续流。
优选地，所述电压采样模块采样电阻分压方案，所述的电压采样模块用于测量输出电压。
优选地，所述电流采样模块采用霍尔传感器，所述电流采样模块测量输出电流用于故障保护。
本发明专利提供的激光器驱动电源装置，通过上述结构及其作用，针对大功率激光器可以实现高效率、低电流纹波的特征，且具有快速的动态响应特性。
附图说明
图1高功率激光器驱动电源原理框图
图2 DC/DC稳压模块-Buck电路拓扑
图3 DC/DC稳压模块-Boost电路拓扑
图4 DC/DC稳压模块-升降压电路拓扑
图5隔离DC/DC模块原理图
图6交错并联模块原理图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提供了一种高功率激光器电源装置，如图1所述，所述的激光器驱动电源由整流电路(1)、预充电模块(2)、母线滤波电容(3)、DC/DC稳压模块(4)、隔离DC/DC模块(5)、交错并联模块(6)、控制模块(7)、电压采样模块(8)、电流采样模块(9)、输出开关(10)和续流二极管(11)组成。
上述激光驱动电源的整流电路，将工频交流电转化为直流电，整流电路由三相不控整流桥构成，除可以交流供电外，也可以适用直流供电。
所述激光器电源的DC/DC稳压模块，将整流模块输出的直流电压变换为激光器所需的电压等级，DC/DC稳压模块可以是Buck电路、Boost电路或升/降压电路拓扑结构。图2表示典型的Buck电路拓扑结构，图2中L4101为电感，Q4101和Q4102为开关管，C4101为输入滤波电容，C4102为输出储能及滤波电容，C4102为脉冲输出提供能量，U4101为开关管驱动芯片，U4102为控制芯片，控制芯片其根据电压反馈控制开关管的占空比，从而达到输出稳压的目的。
图3表示Boost电路拓扑结构。图3中L4201为电感，Q4201为开关管，D4201为二极管，C4201为输入滤波电容，C4202为输出储能及滤波电容，C4202为脉冲输出提供能量，U4201为开关管驱动芯片，U4202为控制芯片，其根据电压反馈控制开关管的占空比，从而达到输出稳压的目的。
图4表示典型的4开关升/降压电路结构。图3中L4301为电感，Q4301—Q4304为开关管，C4301为输入滤波电容，C4302为输出储能及滤波电容，C4302为脉冲输出提供能量，U4301、U4302为开关管驱动芯片，U4303为控制芯片，其根据电压反馈控制开关管的占空比，从而达到输出稳压的目的。
根据激光器所需的电压等级选配不同的电路拓扑。所述的DC/DC稳压模块，无论选用哪种拓扑方案，其原理都是通过控制开关管的占空比来稳定输出的电压。
所述的激光器驱动电源隔离DC/DC模块(5)，其输出与输入通过高频隔离变压器进行隔离，为了提高隔离DC/DC模块的效率，采用LLC谐振软开关拓扑，图5表示隔离DC/DC模块原理图。图中Q501和Q502为开关管，2个开关管互补导通，占空比为50％，通过控制开关频率来控制输出电压。隔离变压器501用于隔离输入和输出，二极管D501和D502作用是变压器副边整流，Q501为滤波和储能电容，503为线性光耦，用于输出电压采样，控制芯片(504)控制开关管的开关频率，隔离驱动(502)隔离控制芯片与开关管并作为开关管的驱动，C501为输入滤波电容，C502为输出储能及滤波电容。所述的激光驱动电源隔离DC/DC模块输出电压小于输入电压。
所述交错并联模块是有多个Buck电路交错并联构成，图6表示交错并联模块的原理图。图中Q501—Q50n为Buck电路开关管，D501—D50n为Buck电路续流二极管，L501—L50n为交错并联Buck电路滤波电感，501为交错并联模块的控制芯片。控制芯片的使能信号是由控制模块(7)给定。交错并联模块(5)的开关管Q501—Q50n移相导通，即第i个开光管比第一个开光管滞后i×360/n度开通，有效降低输出电流纹波。n路并联后等效电感降低到单路电感值的1/n，使得所述激光器驱动电源具备快速电流响应性能。
所述激光器驱动电源，整流电路(1)与预充电电路(2)相连接，母线滤波电容(3)与预充电电路(2)相连接。DC/DC稳压模块(4)输入与预充电电路(2)相连接，DC/DC稳压模块(4)输出正极与交错并联模块负极相连接，DC/DC稳压模块(4)输出负极作为所述激光脉冲驱动电源的负极。隔离DC/DC模块(5)的输入与DC/DC稳压模块(4)的输入并联，隔离DC/DC模块(5)输出与交错并联模块(6)输入相连接，交错并联模块(6)与DC/DC稳压模块串联，即交错并联模块(6)负极与DC/DC稳压模块(4)正极相连接，正极与输出开关(10)的集电极相连接，输出开关(10)的发射极与所述高功率激光器驱动电源输出正极相连接。电压采样模块采用电阻分压方案与所述激光器驱动电源的正、负极相连接，其输出接入控制模块(7)。电流采样模块(9)选用霍尔电流传感器，其输出接入控制模块(7)。控制模块(7)作为所述激光器驱动电源的控制核心，控制交错并联模块(6)的使能，并控制输出开关(10)的开通和关断，采集输出电压和电流，并对输出电压、电流异常进行保护，同时还具备通信接口，用于与上位机进行通信。续流二极管(11)正极连接到所述激光器驱动电源的输出负极，续流二极管(11)的负极接到电源输出的正极。

Claims (6)

1.一种高功率激光器驱动电源装置，其特征在于所述电源装置包括：整流电路、预充电电路、输入滤波带内容、DC/DC稳压模块、隔离DC/DC模块、交错并联模块、控制模块、电压采样模块、电流采样模块、输出开关、续流二极管。DC/DC稳压模块将输入电压转换成恒定的直流电压，其内部利用电容滤波和储能；隔离DC/DC模块将输入的直流电压变换成较低电压等级，作为交错并联模块的输入；交错并联模块与DC/DC稳压模块串联，作为激光器电源的输出。
2.根据权利要求1所述的激光器驱动电源，其特征在于所述的DC/DC稳压模块将整流模块输出的直流电压变换为激光器所需的电压等级，根据激光器电压等级DC/DC稳压模块选择Buck电路、Boost电路或升/降压电路拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的激光器驱动电源，其特征在于所述的DC/DC隔离模块采用高频隔离变压器使输入和输出隔离，并变换成较低电压等级，DC/DC模块的输出作为交错并联模块的输入。
4.根据权利要求1所述的激光器驱动电源，其特征在于所述交错并联模块是多个Buck电路并联构成的，其功能是控制激光器的电流，Buck电路的功率器件移相交错开通可以降低输出电流的纹波。
5.根据权利要求1所述的激光器驱动电源，其特征在于所述的控制单元采用单片机或DSP(数字信号处理器)作为控制芯片，控制单元给定DC/DC稳压模块和隔离DC/DC模块的输出电压值，给定交错并联模块的控制控制电流，并控制开关管导通和关断时刻以及交错并联模块使能和禁止。控制单元还具备故障保护功能，所述的故障保护包括过电流故障、过电压故障、欠电压故障。控制单元还与上位机进行通信，接收上位机的指令，并将电源状态信息传递给上位机。
6.根据权利要求1所示的激光器驱动电源，其特征在于所述的整流电路是由3相不控整流桥构成，其供电电源可以是3相交流电，也可以是直流电源。
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