CN208445496U - 一种超大功率窄脉冲半导体激光电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，属于激光器驱动技术领域。本实用新型包括三级结构，第一级为将输入交流电整流为直流电的有源功率因数校正APFC整流单元；第二级为将整流后的直流高电压进行一次降压的谐振变换LLC单元；第三级为用于直流二次降压的同步BUCK单元。本实用新型应用FPGA作为电源数据处理及控制单元来提高采样及数据处理速度，从而保证优秀的恒流输出控制效果；应用成熟的APFC功率因数校正技术、LLC软开关技术以及同步BUCK变换技术来保证电源较高的转换效率，使电源功率可达100KW以上；采用多个同步BUCK并联输出，既能满足电源大电流输出要求，又可保证电源较快的动态响应，即可获得较陡前后沿的脉冲电流输出。

Description

一种超大功率窄脉冲半导体激光电源

技术领域

本实用新型涉及一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，属于激光器驱动技术领域。

背景技术

近年来，随着激光及其相关技术的发展，激光器在如激光切割、激光远程焊接、激光雷达、激光武器等方面的应用越来越深入，人们对大功率高性能激光器的需求也越来越强烈。其中，半导体激光器由于制作简单、成本低、易于大量生产、体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始便是激光领域关注的焦点，其中其大功率电源的研制是该技术研究的重点难点之一。

激光电源的种类很多，激光器用途不同，对电源提出的指标也不一样。一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励的，其工作介质是半导体面结型二极管，是一种电流型非线性元件，其输出的光强度与其电流密切相关，而且在其较短的工作区内，较小的电压波动都会引起较大倍数电流变化。所以，为控制其发光强度和尽量避免二极管过流烧坏，半导体激光电源都要求是恒流源。另外，当泵浦电流流过激光二极管时，会使PN结温度上升，这将导致激光输出功率下降。所以，为了提高激光器效率，一般大功率的半导体激光电源都要求是窄脉冲输出，并且为达到较好的驱动效果，还要求该脉冲前后沿愈陡愈好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了解决半导体激光电源输出功率难以做大、输出脉冲前后沿较缓而驱动效果差等问题，提供一种超大功率窄脉冲半导体激光电源。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，包括APFC整流单元、LLC一次降压单元、BUCK二次降压单元、APFC采样单元、APFC驱动单元、LLC采样单元、LLC驱动单元、BUCK采样单元、BUCK驱动单元和控制单元；其中，

所述APFC整流单元，用于将输入的三相工频交流电进行整流滤波后，输出至所述LLC一次降压单元；

所述LLC一次降压单元，用于将整流滤波后的信号一次降压，传输至BUCK二次降压单元；

所述BUCK二次降压单元，用于对一次降压后的信号进行二次降压后输出脉冲电源；

所述APFC采样单元、LLC采样单元、BUCK采样单元，分别对应用于采集APFC整流单元、LLC一次降压单元、BUCK二次降压单元的电源输入电压、输入电流、输出电压和输出电流信号；将所述信号调理成标准的模数转化器ADC输入信号后通过ADC传递给所述控制单元；

所述控制单元由FPGA实现，用于完成APFC采样单元、LLC采样单元、BUCK采样单元发送的电源电压/电流采样数据处理，并分别通过APFC驱动单元、LLC驱动单元、BUCK驱动单元将PWM驱动信号以及故障保护信号对应输出至APFC整流单元、LLC一次降压单元、BUCK二次降压单元。

如前所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，进一步地，所述APFC整流单元中包括缓起电路、输入滤波电感、APFC电感、APFC整流电路和整流输出滤波电容，其中：三相工频交流电依次通过缓起电路、输入滤波电感、APFC电感、APFC整流电路、整流输出滤波电容输出至LLC一次降压单元。

如前所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，进一步地，APFC整流单元中，所述整流输出滤波电容由两个电容串联而成。

如前所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，进一步地，所述LLC一次降压单元包括第一功率开关管，第二功率开关管，第一电感，第二电感，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管,第一电容、第二电容和变压器；

所述第一功率开关管的源极分别连接所述整流输出滤波电容的正极以及第一二极管负极的公共端；所述第一二极管正极分别与所述第一功率开关管的射极、所述第二功率开关管的源极、所述第二二极管的负极和所述第一电容的一端连接；所述第二功率开关管的射极分别与第二二极管的正极、所述整流输出滤波电容的负极、所述第二电感的一端和变压器的原边绕组的一端连接；变压器的原边绕组的另一端分别连接所述第二电感的另一端和所述第一电感的一端；所述第一电感的另一端连接所述第一电容的另一端；

变压器的副边绕组的两端分别连接第三二极管的正极和第四二极管的正极，所述第三二极管的负极连接所述第四二极管的负极；所述副边绕组的两端之间设有一分接头，第二电容一端连接该分接头，另一端连接所述变压器的副边绕组两端的其中一端。

如前所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，进一步地，所述BUCK二次降压单元包括多个同步BUCK电路；所述多个同步BUCK电路并联输出；所述同步BUCK电路包括：第三功率开关管，第四功率开关管，第五二极管，第六二极管，第三电感和第三电容；其中，

第五二极管并联连接第三功率开关管，第六二极管并联连接第四功率开关管，第三功率开关管的一端连接上一级同步BUCK电路的输出，另一端连接第四功率开关管的一端和第三电感的一端；第三电感的另一端连接第三电容的正极和同步BUCK电路并联输出的一端；第四功率开关管的另一端和第三电容的另一端连接同步BUCK电路并联输出的另一端。

如前所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，进一步地，所述控制单元的故障保护信号包括输入过流信号、输入欠压信号、输入缺相信号以及输出过流信号。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

应用FPGA作为电源数据处理及控制单元来提高采样及数据处理速度，从而保证优秀的恒流输出控制效果；

应用成熟的APFC功率因数校正技术、LLC软开关技术以及同步BUCK变换技术来保证电源较高的转换效率，使电源功率可达100KW以上；

采用多个同步BUCK并联输出，既能满足电源大电流输出要求，又可保证电源较快的动态响应，即可获得较陡前后沿的脉冲电流输出。

附图说明

图1是所述电源原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如附图1电源原理框图所示，本实用新型提供的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源包括三级结构。第一级为将输入交流电整流为直流电的有源功率因数校正APFC整流单元；第二级为将整流后的直流高电压进行一次降压的谐振变换LLC单元；第三级为用于直流二次降压的同步BUCK单元。

下面将分别从APFC整流单元、LLC一次降压单元以及BUCK二次降压单元这三部分着手，通过描述该电源各部分功能及连接方式来具体说明该实用新型的实施方式。

⑴APFC整流单元

三相工频交流电380VAC通过缓起电路接入输入滤波电感，输入滤波电感输出接入APFC电感，APFC电感输出接入APFC整流电路，APFC整流电路输出接入整流输出滤波电容。缓起电路能够有效抑制电源开机时的冲击电流；输入滤波电感能够抑制电源本身对电网的干扰，也可以抑制电网对电源的电磁干扰；APFC电感是APFC整流电路的储能和滤波电感；APFC整流电路将输入交流电整流成含脉动成分的直流高压，再通过整流输出滤波电容滤波及稳压后，输出稳定的直流高压。

输入交流电的电压通过电压霍尔接入整流采样单元的输入电压采样部分，电流通过电流霍尔接入整流采样单元的输入电流采样部分，稳定的直流电压通过电压霍尔接入整流采样单元的整流电压采样部分，APFC整流桥输出电流通过电流霍尔接入整流采样单元的整流电流采样部分。整流采样单元将采集到的电源输入电压、输入电流、整流输出电压和整流输出电流调理成标准的模数转化器ADC输入信号，并将这些输入信号通过ADC传递给控制单元上的FPGA。该电源控制单元主要完成电源电压电流等采样数据处理、功率开关管驱动信号输出以及故障(输入过流、输入欠压、输入缺相以及输出过流等)保护信号输出等功能，其核心为FPGA。FPGA数据运算速度快，可以保证电压、电流等数据采集以及控制信号输出都具有很高的实时性。控制单元通过APFC整流驱动单元将PWM驱动信号接入APFC整流桥的各功率开关管驱动端，APFC整流驱动单元还有隔离FPGA和功率开关管的作用。

这种带APFC功能的整流单元可以有效提高网侧功率因数，并且还可以获得比被动整流更高的整流电压，可以有效降低网侧电流，从而降低线路损耗，节约能源，提高电源效率及电网供电质量等。特别是在大功率电源中，这些优势更加明显。

⑵LLC一次降压单元

整流输出滤波电容输出接入LLC变换电路，LLC一次降压单元通过其输出变压器的次级接入多路并联的同步BUCK电路。

所述LLC一次降压单元包括第一功率开关管K1，第二功率开关管K2，第一电感L1，第二电感L2，第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4,第一电容C1、第二电容C2和变压器；

所述第一功率开关管K1的源极分别连接所述整流输出滤波电容的正极以及第一二极管D1负极的公共端；所述第一二极管D1正极分别与所述第一功率开关管K1的射极、所述第二功率开关管K2的源极、所述第二二极管D2的负极和所述第一电容C1的一端连接；所述第二功率开关管K2的射极分别与第二二极管D2的正极、所述整流输出滤波电容的负极、所述第二电感L2的一端和变压器的原边绕组的一端连接；变压器的原边绕组的另一端分别连接所述第二电感L2的另一端和所述第一电感L1的一端；所述第一电感L1的另一端连接所述第一电容C1的另一端；

变压器的副边绕组的两端分别连接第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极，所述第三二极管D3的负极连接所述第四二极管D4的负极；所述副边绕组的两端之间设有一分接头，第二电容C2一端连接该分接头，另一端连接所述变压器的副边绕组两端的其中一端。

LLC一次降压单元输出的直流电压通过电压霍尔接入LLC采样单元的LLC电压采样部分，输出电流通过电流霍尔接入LLC采样单元的LLC电流采样部分。LLC采样单元将采集到的LLC电压、电流调理成标准的模数转化器ADC输入信号，并将这些输入信号通过ADC传递给控制单元上的FPGA，由FPGA对这些数据进行处理同时输出相应驱动及控制信号。控制单元通过LLC驱动单元将驱动信号接入LLC电路的各功率开关管驱动端，LLC驱动单元还有隔离FPGA和功率开关管的作用。

LLC变换电路原边功率开关管可以零电压开通，副边整流输出二极管可以零电流关断，属于目前比较流行的软开关技术，其开关损耗小，能够有效提高电源转换效率，非常适合应用于大功率电源。但该拓扑不适合并联使用，在大功率场合下动态响应慢，难以获得前后沿较陡的脉冲输出。而拓扑结构简单、技术成熟的同步BUCK降压电路可以很容易实现并联，动态响应快，容易获得较陡前后沿的脉冲输出。但从同步BUCK拓扑的工作原理可知，同步BUCK电路的降压比越大，其效率越低。故这里需要先将APFC整流单元输出的直流高压降低，以降低后级同步BUCK电路的降压比，从而保证电源具有较高的转换效率。

⑶BUCK二次降压单元

BUCK二次降压单元由多路同步BUCK电路并联组成，其输出接入电源输出。

所述BUCK二次降压单元包括多个同步BUCK电路；所述多个同步BUCK电路并联输出；所述同步BUCK电路包括：第三功率开关管K3，第四功率开关管K4，第五二极管D5，第六二极管D6，第三电感L3和第三电容C3；其中，

第五二极管D5并联连接第三功率开关管K3，第六二极管D6并联连接第四功率开关管K4，第三功率开关管K3的一端连接上一级同步BUCK电路的输出，另一端连接第四功率开关管K4的一端和第三电感L3的一端；第三电感L3的另一端连接第三电容C3的正极和同步BUCK电路并联输出的一端；第四功率开关管K4的另一端和第三电容C3的另一端连接同步BUCK电路并联输出的另一端。

BUCK二次降压单元输出的直流电压通过电压霍尔接入BUCK采样单元的BUCK电压采样部分，输出电流通过电流霍尔接入BUCK采样单元的BUCK电流采样部分。BUCK采样单元将采集到的BUCK电压、电流调理成标准的模数转化器ADC输入信号，并将这些输入信号通过ADC传递给控制单元上的FPGA，由FPGA对这些数据进行处理同时输出相应驱动及控制信号。控制单元通过BUCK驱动单元将驱动信号接入同步BUCK电路的各功率开关管驱动端，BUCK驱动单元还有隔离FPGA和功率开关管的作用。

该实用新型应用FPGA作为电源数据处理及控制单元来提高采样及数据处理速度，从而保证优秀的恒流输出控制效果；应用成熟的APFC功率因数校正技术、LLC软开关技术以及同步BUCK变换技术来保证电源较高的转换效率，使电源功率可达100KW以上；采用多个同步BUCK并联输出，既能满足电源大电流输出要求，又可保证电源较快的动态响应，即可获得较陡前后沿的脉冲电流输出。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，其特征在于，包括APFC整流单元、LLC一次降压单元、BUCK二次降压单元、APFC采样单元、APFC驱动单元、LLC采样单元、LLC驱动单元、BUCK采样单元、BUCK驱动单元和控制单元；其中，

所述APFC整流单元，用于将输入的三相工频交流电进行整流滤波后，输出至所述LLC一次降压单元；

所述LLC一次降压单元，用于将整流滤波后的信号一次降压，传输至BUCK二次降压单元；

所述BUCK二次降压单元，用于对一次降压后的信号进行二次降压后输出脉冲电源；

所述APFC采样单元、LLC采样单元、BUCK采样单元，分别对应用于采集APFC整流单元、LLC一次降压单元、BUCK二次降压单元的电源输入电压、输入电流、输出电压和输出电流信号；将所述信号调理成标准的模数转化器ADC输入信号后通过ADC传递给所述控制单元；

所述控制单元由FPGA实现，用于完成APFC采样单元、LLC采样单元、BUCK采样单元发送的电源电压/电流采样数据处理，并分别通过APFC驱动单元、LLC驱动单元、BUCK驱动单元将PWM驱动信号以及故障保护信号对应输出至APFC整流单元、LLC一次降压单元、BUCK二次降压单元。

2.如权利要求1所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，其特征在于，所述APFC整流单元中包括缓起电路、输入滤波电感、APFC电感、APFC整流电路和整流输出滤波电容，其中：三相工频交流电依次通过缓起电路、输入滤波电感、APFC电感、APFC整流电路、整流输出滤波电容输出至LLC一次降压单元。

3.如权利要求2所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，其特征在于，APFC整流单元中，所述整流输出滤波电容由两个电容串联而成。

4.如权利要求2所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，其特征在于，所述LLC一次降压单元包括第一功率开关管(K1)，第二功率开关管(K2)，第一电感(L1)，第二电感(L2)，第一二极管(D1)，第二二极管(D2)，第三二极管(D3)，第四二极管(D4),第一电容(C1)、第二电容(C2)和变压器；

所述第一功率开关管(K1)的源极分别连接所述整流输出滤波电容的正极以及第一二极管(D1)负极的公共端；所述第一二极管(D1)正极分别与所述第一功率开关管(K1)的射极、所述第二功率开关管(K2)的源极、所述第二二极管(D2)的负极和所述第一电容(C1)的一端连接；所述第二功率开关管(K2)的射极分别与第二二极管(D2)的正极、所述整流输出滤波电容的负极、所述第二电感(L2)的一端和变压器的原边绕组的一端连接；变压器的原边绕组的另一端分别连接所述第二电感(L2)的另一端和所述第一电感(L1)的一端；所述第一电感(L1)的另一端连接所述第一电容(C1)的另一端；

变压器的副边绕组的两端分别连接第三二极管(D3)的正极和第四二极管(D4)的正极，所述第三二极管(D3)的负极连接所述第四二极管(D4)的负极；所述副边绕组的两端之间设有一分接头，第二电容(C2)一端连接该分接头，另一端连接所述变压器的副边绕组两端的其中一端。

5.如权利要求1所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，其特征在于，所述BUCK二次降压单元包括多个同步BUCK电路；所述多个同步BUCK电路并联输出；所述同步BUCK电路包括：第三功率开关管(K3)，第四功率开关管(K4)，第五二极管(D5)，第六二极管(D6)，第三电感(L3)和第三电容(C3)；其中，

第五二极管(D5)并联连接第三功率开关管(K3)，第六二极管(D6)并联连接第四功率开关管(K4)，第三功率开关管(K3)的一端连接上一级同步BUCK电路的输出，另一端连接第四功率开关管(K4)的一端和第三电感(L3)的一端；第三电感(L3)的另一端连接第三电容(C3)的正极和同步BUCK电路并联输出的一端；第四功率开关管(K4)的另一端和第三电容(C3)的另一端连接同步BUCK电路并联输出的另一端。

6.如权利要求1所述的一种超大功率窄脉冲半导体激光电源，其特征在于，所述控制单元的故障保护信号包括输入过流信号、输入欠压信号、输入缺相信号以及输出过流信号。