CN112448588A - 一种空间高效半导体激光器恒流电源 - Google Patents

一种空间高效半导体激光器恒流电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间高效半导体激光器恒流电源，其将第一滤波器、Flyback拓扑电路、第二滤波器、第一电容、第一电阻、PI补偿网络、控制电路等器件相结合，形成一种高输入、恒流输出的空间激光载荷高效率低纹波驱动电源。其优点是：该恒流电源采用共地Flyback拓扑结构，可通过单周期内第一开关管在电感电流峰值与过零点时分别关断和开通实现软开关技术，并通过同步整流技术、准谐振软开关技术减小损耗，极大提高了此类激光恒流电源的效率。

Description

一种空间高效半导体激光器恒流电源
技术领域
本发明涉及空间激光器供电领域，具体涉及一种空间高效半导体激光器恒流电源。
背景技术
半导体激光器(Laser Device,LD)具有转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、易调制等优异的优点，在光通信、信息存储与处理、军事应用、医学应用、科学研究等高尖端技术领域发挥着举足轻重的作用，是目前应用最为广泛的光学器件之一。由于半导体激光器激光性能易受温度的影响，半导体激光器的注入电流及工作温度的稳定性对其输出有直接、明显的影响，所以研制一款高稳定性的半导体激光器驱动电源具有极为重要的意义。
由于半导体激光器是一种具有较高量子效率的器件，且依靠简单的电流注入而工作，其驱动电流的稳定性对于它的输出有直接、明显的影响，微小的电流变化将导致输出光功率的极大变化和器件参数(激射波长、模式跳动、噪声性能等)的变化，进而危及激光器的安全使用。由于半导体激光器对电冲击的承受能力比较差，因此在使用时，可以通过两个方面对其性能进行提高：一方面是改进和优化半导体激光器器件本身，另一方面是提高驱动电源的性能与效率。
在地面用半导体激光器驱动电源已经有大量的研究，而空间半导体激光器电源运行环境特殊，对器件的型号及重量都有较高的要求，现有的发明针对空间半导体激光器电源是比较少的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间高效半导体激光器恒流电源，该恒流电源将第一滤波器、Flyback拓扑电路、第二滤波器、第一电容、第一电阻、PI补偿网络、控制电路相结合，形成一种高输入、恒流输出的空间激光载荷高效率低纹波驱动电源，其采用共地Flyback拓扑结构，可通过单周期内第一开关管在电感电流峰值与过零点时分别关断和开通实现软开关技术，并通过同步整流技术、准谐振软开关技术减小损耗，极大提高了此类激光恒流电源的效率。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种空间高效半导体激光器恒流电源，包含电源模块和若干个并联的稳压稳流标准模块，所述电源模块用于提供电压与电流，所述稳压稳流标准模块包含：
第一滤波器，其两端分别与所述电源模块的两端连接，所述第一滤波器用于吸收所述电源模块输出电流的电流纹波；
Flyback拓扑电路，其与所述第一滤波器串联，所述Flyback拓扑电路用于调节电流的大小；
第二滤波器，其与所述Flyback拓扑电路串联，所述第二滤波器用于吸收所述Flyback拓扑电路输出电流的电流纹波；
第一电容，其与所述第二滤波器并联，所述第一电容的第一端连接负载模块的输入端，所述第一电容的第二端接地；
第一电阻，其一端与所述负载模块的输出端连接，所述第一电阻另一端连接所述第一电容的第二端；
PI补偿网络，其与负载模块输出端连接并与所述第一电阻并联，所述PI补偿网络用于对负载模块的输出信号采样，以输出参考信号；
控制电路，其输入端与所述PI补偿网络连接，其输出端连接一驱动器，所述驱动器与所述Flyback拓扑电路连接，所述控制电路接收所述PI补偿网络的参考信号，向所述驱动器输出电平信号，所述驱动器根据所述电平信号控制所述Flyback拓扑电路以调节电流或电压大小。
可选的，所述Flyback拓扑电路包含：
电流互感器，其原边绕组的同名端连接所述第一滤波器，其原边绕组的异名端连接一第一开关管，所述第一开关管的第一输出端连接所述驱动器，所述第一开关管的第二输出端连接峰值采样电阻，所述峰值采样电阻另一端连接所述第一滤波器；
电流互感器副边绕组的异名端连接所述第二滤波器的第一端，所述副边绕组的同名端连接一第二开关管，所述第二开关管连接所述第二滤波器的第二端。
可选的，所述第一开关管和/或所述第二开关管为MOSFET管。
可选的，所述PI补偿网络包含：
第一比较器，其输入端与负载模块输出端连接，所述第一比较器输出端连接所述控制电路；
第二电阻，其一端与负载模块输出端连接；
第二电容，其一端与所述第二电阻连接，其另一端与所述控制电路连接。
可选的，所述控制电路为UC1843控制芯片。
可选的，所述负载模块包含若干个负载。
可选的，所述负载为发光二极管。
可选的，所述稳压稳流标准模块为12V@12A标准模块。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明公开了一种空间高效半导体激光器恒流电源，该恒流电源将第一滤波器、Flyback拓扑电路、第二滤波器、第一电容、第一电阻、PI补偿网络、控制电路相结合，形成一种高输入、恒流输出的空间激光载荷高效率低纹波驱动电源，其采用共地Flyback拓扑结构，可通过单周期内第一开关管在电感电流峰值与过零点时分别关断和开通实现软开关技术，并通过同步整流技术、准谐振软开关技术减小损耗，极大提高了此类激光恒流电源的效率。
进一步的，本发明的恒流电源为针对输入电压100V-160V、输出电压8V-12V、输出电流恒流12A空间高效半导体激光器恒流电源，其根据拓扑电路可采用一种准谐振软开关技术实现恒流电源的输出稳定，确保其供电效率。
附图说明
图1为本发明的一种空间高效半导体激光器恒流电源结构示意图；
图2为本发明的稳压稳流标准模块结构示意图；
图3为本发明的稳压稳流标准模块保护功能原理示意图；
图4为本发明的稳压稳流标准模块输出电路启动波形图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1和图2结合所示，为本发明的一种空间高效半导体激光器恒流电源，该激光器恒流电源包含电源模块和若干个并联的稳压稳流标准模块(请见图1)，所述电源模块用于提供电压与电流，若干个所述稳压稳流标准模块可连接若干个负载模块，可根据功率需求设置不同个数的稳压稳流标准模块。所述空间高效半导体激光器恒流电源用于空间环境，可适应强电磁辐射干扰环境，所有元器件采用能够适应空间环境的宇航级，能够适应高轨、低轨(包括程控轨道)航天器平台，实现为半导体激光器的高品质(高效率、低纹波、高可靠等)供电。
在本实施例中，所述负载模块即激光载荷模块，其包含若干个负载。可选的，所述负载为发光二极管。所述稳压稳流标准模块为12V@12A标准模块，可实现12A恒流输出。Vin为输入电压，其为100V-160V，输出电压8-12V，系统架构采用多个12V@12A标准模块采用输入并联、输出独立形式构成，为多个激光载荷模块供电，各个12V@12A标准模块不共地。该激光器恒流电源可满足输出功率在100W左右的激光器供电问题，具有恒流12A输出的功率特征。
其中，所述稳压稳流标准模块包含：第一滤波器(Filter1)4、Flyback拓扑电路3、第二滤波器(Filter2)2、第一电容7、第一电阻8、PI补偿网络1、控制电路5。
具体地，所述第一滤波器4两端分别与所述电源模块的两端连接，所述第一滤波器4用于吸收所述电源模块输出电流的电流纹波。所述Flyback拓扑电路3与所述第一滤波器4串联，所述Flyback拓扑电路3用于调节电流或电压的大小。所述第二滤波器2与所述Flyback拓扑电路3串联，所述第二滤波器2用于吸收所述Flyback拓扑电路3输出电流的电流纹波。
所述第一电容7与所述第二滤波器2并联，所述第一电容7的第一端连接负载模块的输入端，所述第一电容7的第二端接地。所述第一电阻8一端与所述负载模块的输出端连接，所述第一电阻8另一端连接所述第一电容7的第二端。当所述电源模块不供电时，所述第一电容7、第一电阻8和负载模块构成一个回路，所述第一电容7为所述负载模块供电，所述第一电阻8为采样电阻。
可选的，所述第一滤波器4可采用陶瓷电容，所述第二滤波器2可采用两级LC滤波结构。
在本实施例中，以12V@12A标准模块实现电路过流保护为例(请见图2)。所述PI补偿网络1与负载模块输出端连接并与所述第一电阻8并联，所述PI补偿网络1用于对负载模块的输出电流采样，以便输出峰值电流参考信号。所述控制电路5输入端与所述PI补偿网络1连接，其输出端连接一驱动器6，所述驱动器6与所述Flyback拓扑电路3连接，所述控制电路5接收所述PI补偿网络1的峰值电流参考信号，向所述驱动器6输出低电平信号，所述驱动器6根据所述低电平信号以PWM控制方式控制所述Flyback拓扑电路3以调节电流大小。
进一步的，在本实施例中，通过所述Flyback拓扑电路3减小导通损耗以及拓扑体积对转换效率的影响。所述Flyback拓扑电路3具体包含：电流互感器、第一开关管和第二开关管。
所述电流互感器的原边绕组的同名端连接所述第一滤波器4，其原边绕组的异名端连接所述第一开关管，所述第一开关管的第一输出端连接所述驱动器6，所述第一开关管的第二输出端连接峰值采样电阻，所述峰值采样电阻另一端连接所述第一滤波器4。电流互感器副边绕组的异名端连接所述第二滤波器2的第一端，所述副边绕组的同名端连接所述第二开关管，所述第二开关管连接所述第二滤波器2的第二端。
在本实施例中，所述电流互感器为耦合电感。所述第一开关管和所述第二开关管均为MOSFET管。考虑一级降额，开关管采用IRHNA7460SE，采用负反馈闭环PWM控制方式，反馈量为输出电流。
所述PI补偿网络1包含：第一比较器、第二电阻和第二电容(请见图1)。根据需要控制信号类别的不同可添加若干个信号比较器以对多种信号进行采样比较，如采用过敏电阻采样以实现过温保护(不仅限于此，还可以是过流、过压、欠压等保护)(请见图3)。各个部件共同构成平均电流闭环，平均电流参考信号由外部给出，输出电流采样为电流互感器采样的平均电流，以便于所述PI补偿网络1输出峰值电流参考信号。
所述第一比较器输入端与负载模块输出端连接，所述第一比较器输出端连接所述控制电路5；所述第二电阻的一端与负载模块输出端连接，所述第二电容一端与所述第二电阻连接，其另一端与所述控制电路5连接。
如图3所示，在本实施例中，所述控制电路5为UC1843控制芯片，其为一相应的电路芯片，以实现电流闭环控制，输出12A恒流。当有一个或任意几个保护功能触发后，就会产生一个高电平的信号，使得UC1843控制芯片内部比较器的输出为高电平的封锁信号，一般在2V左右。由于UC1843控制芯片内部有1V的稳压管钳位，因此这个触发信号会强制复位，从而置位SR锁存器(S、R为锁存器置位、复位端，Q非是输出端)，使得UC1843控制芯片的输出恒为低。同时这个触发信号也会封锁驱动器6，让驱动器6输出恒为低。该恒流电源通过变频单周期同步控制技术，以输出电流作为反馈量，以峰值电流作为内环控制对输出电流进行闭环负反馈控制。输入欠压、过温、输出过压、启动控制这些功能都经由此保护方案来实现。例如当需要进行过压保护时，PI补偿网络1对负载模块的输出电压进行采样，控制电路5根据PI补偿网络1获取的电压信息和过压保护参考信号，输出低电平信号以控制驱动器6。
以输出电流过流保护为例，当主开关管即第一开关管(原边)关断后，副边电流逐渐下降。经过一段时间后，副边电流会逐渐减小为零，该时刻为电流过零点。在过零点之后，如果第一开关管还没有开通，那么漏感、激磁电感将和第一开关管的结电容进行谐振。在过零点之后延时半个谐振周期开通第一开关管就可以实现零电压开通，从而减少开通损耗。该模块当电流自然过零时，使器件关断从而减少损耗，即软开关控制技术。通过检测12V@12A标准模块中Flyback共地拓扑中电感电压的过零点，再延时一个固定的时间，使开关管的漏极和源极电压相等，给予Flyback共地拓扑中开关管开通信号，从而实现开关管的零电压开通，其中电流零点检测采用的是电流互感器。
如图3所示，PI补偿网络1对负载模块的输出信号进行采样，结合平均电流参考信号、过温保护参考信号、过流保护参考及过压保护参考等信号，所述PI补偿网络1输出相应参考信号并将其传送给所述控制电路5，所述控制电路5根据相应参考信号输出低电平信号并将其传送给驱动器6，驱动器6输出PWM信号控制所述第一开关管的开关程度，以稳定电流/电压的大小。
如图4所示，为本发明的空间高效半导体激光器恒流电源的12V@12A标准模块输出电流启动波形，启动时，电流上升时间约为1ms，过冲电流为0.24A，系统能够闭环，稳态也能实现MOSFET管谷底开通，稳态和动态特性较好。
综上所述，本发明的一种空间高效半导体激光器恒流电源，将第一滤波器4、Flyback拓扑电路3、第二滤波器2、第一电容7、第一电阻8、PI补偿网络1、控制电路5等相结合，形成一种高输入、恒流输出的空间激光载荷高效率低纹波驱动电源，其采用共地Flyback拓扑结构，可通过单周期内第一开关管在电感电流峰值与过零点时分别关断和开通实现软开关技术，并通过同步整流技术、准谐振软开关技术减小损耗，极大提高了此类激光恒流电源的效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，包含电源模块和若干个并联的稳压稳流标准模块，所述电源模块用于提供电压与电流，所述稳压稳流标准模块包含：
第一滤波器，其两端分别与所述电源模块的两端连接，所述第一滤波器用于吸收所述电源模块输出电流的电流纹波；
Flyback拓扑电路，其与所述第一滤波器串联，所述Flyback拓扑电路用于调节电流或电压的大小；
第二滤波器，其与所述Flyback拓扑电路串联，所述第二滤波器用于吸收所述Flyback拓扑电路输出电流的电流纹波；
第一电容，其与所述第二滤波器并联，所述第一电容的第一端连接负载模块的输入端，所述第一电容的第二端接地；
第一电阻，其一端与所述负载模块的输出端连接，所述第一电阻另一端连接所述第一电容的第二端；
PI补偿网络，其与负载模块输出端连接并与所述第一电阻并联，所述PI补偿网络用于对负载模块的输出信号采样，以输出参考信号；
控制电路，其输入端与所述PI补偿网络连接，其输出端连接一驱动器，所述驱动器与所述Flyback拓扑电路连接，所述控制电路接收所述PI补偿网络的参考信号，向所述驱动器输出电平信号，所述驱动器根据所述电平信号控制所述Flyback拓扑电路以调节电流或电压大小。
2.如权利要求1所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，所述Flyback拓扑电路包含：
电流互感器，其原边绕组的同名端连接所述第一滤波器，其原边绕组的异名端连接一第一开关管，所述第一开关管的第一输出端连接所述驱动器，所述第一开关管的第二输出端连接峰值采样电阻，所述峰值采样电阻另一端连接所述第一滤波器；
电流互感器副边绕组的异名端连接所述第二滤波器的第一端，所述副边绕组的同名端连接一第二开关管，所述第二开关管连接所述第二滤波器的第二端。
3.如权利要求2所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，
所述第一开关管和/或所述第二开关管为MOSFET管。
4.如权利要求1所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，所述PI补偿网络包含：
第一比较器，其输入端与负载模块输出端连接，所述第一比较器输出端连接所述控制电路；
第二电阻，其一端与负载模块输出端连接；
第二电容，其一端与所述第二电阻连接，其另一端与所述控制电路连接。
5.如权利要求1所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，
所述控制电路为UC1843控制芯片。
6.如权利要求1所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，
所述负载模块包含若干个负载。
7.如权利要求6所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，
所述负载为发光二极管。
8.如权利要求1所述的空间高效半导体激光器恒流电源，其特征在于，
所述稳压稳流标准模块为12V@12A标准模块。
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