CN112909722A - 一种大功率脉冲激光电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大功率脉冲激光电源电路，包括：交错并联BOOST及控制部分接收CCU点火信号，通过平均电流控制将锂电池电能升压储存在500V电容阵中，给后级BUCK+线性恒流源提供输出环境；滞环BUCK电路及控制部分接收CCU滞环控制信号启动，给300V储能电容快速充电并与线性恒流源协同输出，通过电压滞环控制将300V电容电压控制在一定的滞环宽度内；线性恒流源电路及其控制部分接收CCU脉冲电流参考信号，通过内部的线性调制网络，输出激光器负载所需的一定频率、脉宽、幅值的脉冲电流，其内部还具有过流保护功能，通过过流保护网络在出现过流故障时关闭保护开关管；本发明解决现有大功率激光器的驱动电源问题，电路及控制构成简单、实现方便可靠，已经过原理样机的验证。

Description

一种大功率脉冲激光电源电路
技术领域
本发明属于电学领域，涉及一种大功率脉冲激光电源实现方案。
背景技术
半导体激光激光器具有体积小、效率高、可靠性好、工作寿命长的优点，在国防、科研、医疗、加工等领域有着广泛的应用。根据半导体激光器的用电需求，高质量脉冲电流波形在动态性方面，对上升沿、下降沿的上升、下降时间有较高要求，同时对于稳定性方面，对电流纹波与超调及反向电流等也均有较高指标约束。现有的大功率脉冲电源实现方案以交错并联BUCK恒流源技术和储能电容线性放电输出技术实现，BUCK恒流源方案存在电流稳定度及纹波问题，电路的实时响应不能满足高动态使用环境的需求，储能电容阵线性放电方案存在充电等待时间及电容阵的体积问题，在体积尺寸受限的场合有一定的局限性，因此本发明提出一种新的大功率脉冲激光电源实现方案，解决大功率激光器高质量的用电需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有的大功率脉冲激光电源方案不足，提出一种新的大功率脉冲激光电源实现方案。
本发明的一种大功率脉冲激光电源电路，所述大功率脉冲激光电源电路包括主电路以及控制电路；所述主电路包括交错并联BOOST电路、500V储能电容阵、滞环BUCK电路、300V储能电容、线性恒流源电路及激光负载输出电路；所述控制电路包括中央控制单元CCU、BOOST控制电路、BUCK控制电路、线性源控制电路，其中：
所述BOOST控制电路接收中央控制单元CCU发出的点火信号，通过平均电流控制将锂电池电能升压储存在500V电容阵中，给后级BUCK以及线性恒流源提供稳定的输出环境，给500V电容阵实时充电；
所述BUCK控制电路接收中央控制单元CCU发出的滞环控制信号，用于给300V储能电容快速充电并与线性恒流源协同输出，通过电压滞环控制将300V电容电压控制在滞环宽度内，以保证300V储能电容阵随时具有瞬时放电的能力；
线性恒流源电路及其控制部分：所述线性源控制电路接收中央控制单元CCU的脉冲电流参考信号，通过内部的线性调制网络，输出激光器负载所需的频率、脉宽、幅值的脉冲电流，其内部还具有过流保护功能，通过过流保护网络在出现过流故障时关闭保护开关管。
优选地，所述交错并联BOOST电路输入端为直流蓄电池组，输出端为高压500V储能电容阵，根据BOOST控制电路所接收到的CCU的点火信号启动电路。
优选地，所述交错并联BOOST电路包括:直流电源Vin，电感LA、电感LB，MOS管Q1、MOS管Q2及续流二极管D1、续流二极管D2构成的两条并联支路，还包括500V储能电容C、等效负载Vo；通过电阻R1、电阻R2对电容C电压采样，再经过运算放大器U1、电容C1、电阻R3、电阻R4及参考电压Vref构成的电压外环PI调节网络生成电流内环控制信号IC，再通过采样电阻Rs对输入电流采样，利用运算放大器U2、电容C2、电容C3、电阻R5、电阻R6构成的电流内环PI调节网络，再通过PWM驱动，生成控制MOS管Q1、MOS管Q2开关的PWM信号；通过控制MOS管Q1、MOS管Q2的导通关断，控制BOOST两条并联支路对500V电容C快速充电。
优选地，所述滞环BUCK电路输入端为500V电容阵，输出端为300V储能电容阵，根据接收到的滞环控制信号进行滞环电压控制。
优选地，所述滞环控制BUCK电路由500V储能电容、MOS管Q、续流二极管D、300V储能电容C、等效负载R组成，控制方式采用响应速度快的电压滞环控制，通过电阻Ra、Rb对电容C两端电压采样，再利用电阻Rx、电阻Ry、参考信号Vr与滞环比较器构成的滞环网络将电容C电压限定在一定的电压滞环内，PWM及驱动控制MOS管Q的开通关断，滞环BUCK电路以此对电容C及线性恒流源电路供电。
优选地，所述线性恒流源电路输入端为300V储能电容阵，输出端为激光器负载，根据CCU的脉冲电流参考信号经CAN通讯与D/A数模转换后控制输出。
优选地，所述线性恒流源电路包括300V储能电容、线性调整管S1、保护开关管S2、电流采样电阻RL构成的电流采样、参考电压V2与比较器Ub构成的过流保护网络及参考电压V1、电容CL、电阻RL与运算放大器Ua构成的线性调制网络；接收中央控制单元CCU的脉冲电流输出信号，通过线性调制网络控制线性调整管S1，发出激光负载LED所需的脉冲电流；脉冲参考信号由中央控制单元CCU的CAN通讯发出，经数模D/A转换后生成线性调制网络中的参考电压V1，该信号中包含了输出脉冲电流的频率、脉宽及幅值信息；电流采样电阻RL采集输出电流信号，在电流出现过流状态时，通过过流保护网络控制保护开关管S2关闭输出，保护电路。
本发明与现有技术相比的有益效果是：现有的大功率脉冲电源实现方案以交错并联BUCK恒流源技术和储能电容线性放电输出技术实现，BUCK恒流源方案存在电流稳定度及纹波问题，电路的实时响应不能满足高动态使用环境的需求，储能电容阵线性放电方案存在充电等待时间及巨大的电容阵体积问题，在体积尺寸受限的场合不适用。本发明提出的一种大功率脉冲激光电源实现方案，其中利用前级交错并联BOOST电路对500V电容阵实时充电，再通过滞环BUCK电路将后端电容阵控制在300V左右的一个滞环区间，末端线性恒流源电路通过工作于放大区的功率MOS管产生相应频率脉宽幅值的脉冲电流波形。结合了BUCK恒流源小型化、轻量化的技术特点和线性恒流源高动态、低纹波的技术特点，形成优势互补。
(1)前级交错并联BOOST电路解决了电容阵充电等待时间的问题，通过平均电流控制对500V储能电容阵快速充电，给后级BUCK+线性恒流源提供稳定的输出环境，其中交错并联技术的使用有利于纹波的减小及电流密度的提升。
(2)后级BUCK+线性恒流源的结构，结合了BUCK电路小型化、轻量化的特点和线性恒流源高动态、低纹波的优势，解决了现有交错BUCK恒流源方案输出脉冲电流纹波大的问题。
(3)BUCK+线性恒流源并联输出的拓扑，有利于提升脉冲激光电源瞬时功率，提升输出脉冲电流功率密度，且不会存在现有仅依靠大电容线性放电的体积过大问题，提高了大功率脉冲电源的环境适应性。
附图说明
图1为本发明提出的一种大功率脉冲激光电源实现方案电路结构图；
图2为前级交错并联BOOST电路原理图；
图3为滞环控制BUCK电路原理图；
图4为线性恒流源电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明提出的一种大功率脉冲激光电源实现方案，电路整体结构图如图1所示，主电路包括直流锂电池组、交错并联BOOST电路、500V储能电容阵、滞环BUCK电路、300V储能电容阵、线性恒流源电路、二极管阵列负载，控制部分包括BOOST电路控制模块、BUCK电路控制模块、线性恒流源控制模块以及CAN通信及D/A数模转换模块。大功率脉冲激光电源通过中央控制单元CCU发出的点火信号，滞环控制信号及脉冲电流参考信号，分别对交错并联BOOST电路、滞环BUCK电路及线性恒流源电路进行控制，输出相应频率脉宽幅值的脉冲电流。
具体地，交错并联BOOST电路及其控制原理如图2所示，主电路包括直流电源Vin，电感LA、LB，MOS管Q1、Q2及续流二极管D1、D2构成的两条并联支路，还包括500V储能电容C、等效负载Vo。交错并联BOOST电路的作用是给500V储能电容C进行充电，以供后端BUCK+线性恒流源脉冲放电。采用平均电流控制，通过电阻R1、R2对电容C电压采样，再经过运算放大器U1、电容C1、电阻R3、R4及参考电压Vref构成的电压外环PI调节网络生成电流内环控制信号IC，再通过采样电阻Rs对输入电流采样，利用运算放大器U2、电容C2、C3、电阻R5、R6构成的电流内环PI调节网络，再通过PWM驱动，生成控制MOS管Q1、Q2开关的PWM信号。通过控制MOS管Q1、Q2的导通关断，控制BOOST两条并联支路对500V电容C快速充电。
滞环BUCK电路与末端线性源放电电路通过300V储能电容连接，300V储能电容的作用是为线性源电路脉冲放电提供瞬态电流，增强输出电流的实时性。滞环BUCK电路原理图如图3所示，主电路由500V储能电容、MOS管Q、续流二极管D、300V储能电容C、等效负载R组成，控制方式采用响应速度快的电压滞环控制，通过电阻Ra、Rb对电容C两端电压采样，再利用电阻Rx、Ry、参考信号Vr与滞环比较器构成的滞环网络将电容C电压限定在一定的电压滞环内，PWM及驱动控制MOS管Q的开通关断，滞环BUCK电路以此对电容C及线性恒流源电路供电。
线性恒流源电路的原理图如图4所示，包括300V储能电容、线性调整管S1、保护开关管S2、电流采样电阻RL构成的电流采样、参考电压V2与比较器Ub构成的过流保护网络及参考电压V1、电容CL、电阻RL与运算放大器Ua构成的线性调制网络。线性恒流源电路的作用是接收中央控制单元CCU的脉冲电流输出信号，通过线性调制网络控制线性调整管S1，发出激光负载LED所需的脉冲电流。脉冲参考信号由CCU的CAN通讯发出，经数模D/A转换后生成线性调制网络中的参考电压V1，该信号中包含了输出脉冲电流的频率、脉宽及幅值信息。电流采样电阻RL采集输出电流信号，在电流出现过流状态时，通过过流保护网络控制保护开关管S2关闭输出，保护电路。
本发明属于技术方案发明，其主要的主电路构成包括锂电池组、交错并联BOOST电路、500V储能电容阵、滞环BUCK电路、300V储能电容、线性恒流源电路及激光负载输出，控制部分包括中央控制单元CCU、BOOST控制、BUCK控制、线性源控制等。
交错并联BOOST及其控制部分的作用是接收CCU点火信号，通过平均电流控制将锂电池电能升压储存在500V电容阵中，给后级BUCK+线性恒流源提供稳定的输出环境，给500V电容阵实时充电，解决了现有电容线性放电方案中的电容阵充电等待时间问题。
滞环BUCK电路及其控制部分接收CCU滞环控制信号启动，其作用是给300V储能电容快速充电并与线性恒流源协同输出，通过电压滞环控制将300V电容电压控制在一定的滞环宽度内，以保证300V储能电容阵随时具有瞬时放电的能力。
线性恒流源电路及其控制部分接收CCU脉冲电流参考信号，通过内部的线性调制网络，输出激光器负载所需的一定频率、脉宽、幅值的脉冲电流，其内部还具有过流保护功能，通过过流保护网络在出现过流故障时关闭保护开关管，线性恒流源电路解决了现有BUCK恒流源输出的电流波动性和实时性问题。
本发明提供的一种大功率脉冲激光电源实现方案，可用于大功率激光器的驱动电源研制，由交错并联BOOST电路、500V储能电容阵、滞环BUCK电路、300V储能电容、线性恒流源电路与中央控制单元CCU及各部分控制构成，共同实现一定频率、脉冲宽度、幅值的脉冲电流输出。本发明属于技术方案类发明，可解决现有大功率激光器的驱动电源问题，电路及控制构成简单、实现方便可靠，已经过原理样机的验证。
本发明已以技术方案的形式公开如上，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述大功率脉冲激光电源电路包括主电路以及控制电路；所述主电路包括交错并联BOOST电路、500V储能电容阵、滞环BUCK电路、300V储能电容、线性恒流源电路及激光负载输出电路；所述控制电路包括中央控制单元CCU、BOOST控制电路、BUCK控制电路、线性源控制电路，其中：
所述BOOST控制电路接收中央控制单元CCU发出的点火信号，通过平均电流控制将锂电池电能升压储存在500V电容阵中，给后级BUCK以及线性恒流源提供稳定的输出环境，给500V电容阵实时充电；
所述BUCK控制电路接收中央控制单元CCU发出的滞环控制信号，用于给300V储能电容快速充电并与线性恒流源协同输出，通过电压滞环控制将300V电容电压控制在滞环宽度内，以保证300V储能电容阵随时具有瞬时放电的能力；
线性恒流源电路及其控制部分：所述线性源控制电路接收中央控制单元CCU的脉冲电流参考信号，通过内部的线性调制网络，输出激光器负载所需的频率、脉宽、幅值的脉冲电流，其内部还具有过流保护功能，通过过流保护网络在出现过流故障时关闭保护开关管。
2.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述交错并联BOOST电路输入端为直流蓄电池组，输出端为高压500V储能电容阵，根据BOOST控制电路所接收到的CCU的点火信号启动电路。
3.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述交错并联BOOST电路包括:直流电源Vin，电感LA、电感LB，MOS管Q1、MOS管Q2及续流二极管D1、续流二极管D2构成的两条并联支路，还包括500V储能电容C、等效负载Vo；通过电阻R1、电阻R2对电容C电压采样，再经过运算放大器U1、电容C1、电阻R3、电阻R4及参考电压Vref构成的电压外环PI调节网络生成电流内环控制信号IC，再通过采样电阻Rs对输入电流采样，利用运算放大器U2、电容C2、电容C3、电阻R5、电阻R6构成的电流内环PI调节网络，再通过PWM驱动，生成控制MOS管Q1、MOS管Q2开关的PWM信号；通过控制MOS管Q1、MOS管Q2的导通关断，控制BOOST两条并联支路对500V电容C快速充电。
4.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述滞环BUCK电路输入端为500V电容阵，输出端为300V储能电容阵，根据接收到的滞环控制信号进行滞环电压控制。
5.根据权利要求4所述的一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述滞环控制BUCK电路由500V储能电容、MOS管Q、续流二极管D、300V储能电容C、等效负载R组成，控制方式采用响应速度快的电压滞环控制，通过电阻Ra、Rb对电容C两端电压采样，再利用电阻Rx、电阻Ry、参考信号Vr与滞环比较器构成的滞环网络将电容C电压限定在一定的电压滞环内，PWM及驱动控制MOS管Q的开通关断，滞环BUCK电路以此对电容C及线性恒流源电路供电。
6.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述线性恒流源电路输入端为300V储能电容阵，输出端为激光器负载，根据CCU的脉冲电流参考信号经CAN通讯与D/A数模转换后控制输出。
7.根据权利要求6所述的一种大功率脉冲激光电源电路，其特征在于：所述线性恒流源电路包括300V储能电容、线性调整管S1、保护开关管S2、电流采样电阻RL构成的电流采样、参考电压V2与比较器Ub构成的过流保护网络及参考电压V1、电容CL、电阻RL与运算放大器Ua构成的线性调制网络；接收中央控制单元CCU的脉冲电流输出信号，通过线性调制网络控制线性调整管S1，发出激光负载LED所需的脉冲电流；脉冲参考信号由中央控制单元CCU的CAN通讯发出，经数模D/A转换后生成线性调制网络中的参考电压V1，该信号中包含了输出脉冲电流的频率、脉宽及幅值信息；电流采样电阻RL采集输出电流信号，在电流出现过流状态时，通过过流保护网络控制保护开关管S2关闭输出，保护电路。
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