JPH0629575A - 疑似共振ダイオード駆動電流源 - Google Patents

疑似共振ダイオード駆動電流源

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JPH0629575A
JPH0629575A JP9980193A JP9980193A JPH0629575A JP H0629575 A JPH0629575 A JP H0629575A JP 9980193 A JP9980193 A JP 9980193A JP 9980193 A JP9980193 A JP 9980193A JP H0629575 A JPH0629575 A JP H0629575A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、固体ダイオードポンピングレーザ
に高電力の調整されたパルス電流を供給する効率の高い
電流源を提供することを目的とする。 【構成】 電源22と、発光ダイオード31と、電源22と発
光ダイオード31との間に結合されて発光ダイオードにパ
ルス電流を供給する疑似共振コンバータと、発光ダイオ
ードを通る電流を感知するセンサ32と、このセンサ32に
接続され、発光ダイオード31を流れるパルス電流の振幅
を調整する制御手段26とを具備していることを特徴とす
る。疑似共振コンバータは例えばゼロ電流スイッチ全波
疑似共振バックコンバータとして構成され、並列に接続
されたダイオード25を有するスイッチトランジスタ24
と、共振インダクタ27と、フィルタインダクタ28と、フ
ィルタインダクタ28と発光ダイオード31の直列回路に並
列に接続された共振キャパシタ30およびキャッチダイオ
ード29とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイオード駆動電流源
に関し、特に固体レーザにパワーを供給するために使用
される疑似共振ダイオード駆動電流源に関する。
【０００２】
【従来の技術】電流制御された疑似共振コンバータはモ
ータ技術において知られており、文献（Ｈ．Ｌe-ＨuyＩ
ＥＥＥ Ｔransactions on Industrial Eiectronics,Vo
l.38,No.5,1991年10月）に開示されている。この文献は
スイッチレラクタンスモータを使用する低および中程度
の電力の可変速度駆動装置で使用するために電流制御さ
れた疑似共振コンバータを記載している。ゼロ電流スイ
ッチングが使用されてスイッチング特性を改善し、モー
タ巻線中の電流の有効な制御を行っている。さらに疑似
共振コンバータはまた別の文献にも記載されている
（Ｒ．Ｂ．Ｒidley ＩキャッチダイオードＥ Ｔransac
tions on POWER Eiectronics,Vol.6,No.1,1991年1
月）。この文献は疑似共振コンバータの多重ループ制御
方式および種々の共振バックコンバータ形態および回路
について記載されている。
【０００３】レーザ技術によれば、ダイオードポンピン
グはその高い電気−光効率により固体レーザシステムで
使用するのに選択されるようになっている。ダイオード
ポンピングの使用以前にはフラッシュランプがポンプ源
として使用された。その典型的なシステム効率は１乃至
２％である。この低い効率は主としてその低い電気ー光
効率によるものである。ダイオードポンピングの使用に
よって、その高い電気−光効率により１０乃至１５％の
レーザシステム効率が得られる。したがっている電力は
１０分の１に減少できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ダイオードポンピング
は、ポンプダイオードを駆動するために調整された高電
力パルス電流源を必要とする。通常の電流源は出力電流
を制御するために直列電力消費調整装置またはパルス幅
変調（ＰＷＭ）コンバータを使用する。例えばダイオー
ドポンピングレーザによって必要とされるような高出力
電流で使用するとき、これらの技術は共に高い電力損失
を生じ、したがって非常に効率が低い。
【０００５】直列電力消費調整装置は通常はトランジス
タである直列電流通過素子の両端における電圧降下によ
って電力が消費され、その電力ＰはＰ＝（Ｖin−Ｖ
out ）×Ｉout で与えられる。したがって、高出力電流
において電力損失は非常に高くなる。ＰＷＭコンバータ
はそのスイッチングトランジスタにおける高いスイッチ
ング損失を生じ、特にキャッチダイオードの逆回復およ
びキャッチダイオード中のスイッチング損失により大き
い損失を生じる。高出力電流において、逆回復電流は非
常に大きくその結果電力損失は非常に高くなる。
【０００６】したがって、本発明の目的は、比較的効率
が高く、固体ダイオードポンピングレーザまたはその類
似装置に高電力のパルスの調整された電流を供給するこ
とのできる電流源を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、パルス
高電力電流源として疑似共振ダイオード駆動コンバータ
が使用され、発光ダイオード等を駆動するのに使用され
る。本発明のダイオード駆動電流源は例えば固体レーザ
をポンプするために使用された固体発光ダイオードを駆
動するために使用することができる。疑似共振ダイオー
ド駆動コンバータの出力電流が検出され、発光ダイオー
ドによって必要とされるレベルに制御ループによって調
整される。本発明の特定の実施形態においては、ゼロ電
流スイッチ全波疑似共振バックコンバータが開発されて
複数の発光ダイオードを駆動するために必要なパルス高
振幅出力電流を供給し、それは固体ダイオードポンピン
グレーザ中のレーザ結晶をポンピングする。
【０００８】さらに説明すると、本発明の１態様では、
電源と、発光ダイオードと、電源と発光ダイオードとの
間に結合されて発光ダイオードにパルス電流を供給する
疑似共振コンバータとを備えている。発光ダイオードを
通る電流を感知するために電流感知装置が設けられ、ま
た制御手段がこの感知手段に接続されて発光ダイオード
に供給されるパルス電流の振幅を調整する。
【０００９】さらに本発明によるレーザ駆動回路は、電
荷供給源と、この電荷供給源に結合されて電荷を蓄積す
る複数の電荷蓄積装置とを備えている。複数の発光ダイ
オードをそれぞれ有する複数の発光ダイオードアレイは
この電荷蓄積装置に結合されている。複数のダイオード
駆動回路は複数の発光ダイオードアレイにそれぞれ結合
され、前述のように疑似共振ダイオード駆動パルス電流
源を構成する。
【００１０】
【発明の効果】疑似共振ダイオード駆動コンバータの使
用は通常のレーザ電流源に比較してはるかに高い変換効
率を与える。この高い変換効率は電源から引出される入
力電力を低下させ、冷却装置の動作を軽減しその結果電
流源の信頼性を高める。改善された効率は高電力レベル
で特に有効であり、消費電力を大幅に節減する。本発明
は、高電流の、調整されたパルス電流源を必要とする固
体ダイオードポンピングレーザの分野に対して特に重要
である。このような効率の高い電源がなければ、ダイオ
ードポンピングレーザは実用的なものにはならないであ
ろう。
【００１１】
【実施例】図１は、変化可能な数の発光ダイオード16を
有する複数のレーザダイオードアレイ13,14,15を駆動す
るために本発明による疑似共振ダイオード駆動電流源20
を使用しているレーザダイオード駆動回路10のブロック
図である。個々のレーザダイオードアレイ13,14,15はそ
れぞれ２個の増幅器および１個の発振器（図示されてい
ない）の一部であるレーザ結晶をポンプするように構成
されている。各レーザダイオードアレイ13,14,15は電荷
供給装置11と疑似共振ダイオード駆動電流源20の１つと
の間に直列に接続されている複数の別々のレーザ用の発
光ダイオード16を有している。保護ダイオード17は発光
ダイオード16の周囲に結合されて逆電圧の場合に複数の
発光ダイオード16を保護するために使用されている。キ
ャパシタ12により複数の発光ダイオード16のそれぞれの
間で容量分離が行われている。キャパシタ12はレーザダ
イオードアレイ13,14,15を付勢するために疑似共振ダイ
オード駆動電流源20によって制御される電荷を蓄積する
ために使用される。従来の通常のダイオード駆動回路で
は疑似共振ダイオード駆動電流源20（詳細は図２参照）
を除いて図１と類似した回路が使用されており、そのよ
うな通常のダイオード駆動回路の１例はアナログモジユ
ール社により製造されているモデル778 である。
【００１２】図２は、図１のダイオード駆動回路10中で
使用されている本発明による疑似共振ダイオード駆動電
流源20の概略図である。図２ではゼロ電流スイッチ全波
バック(buck)コンバータが１例として示されているが、
本発明の疑似共振ダイオード駆動電流源20は他の形式の
コンバータによっても容易に構成することができること
を理解すべきである。
【００１３】上記のように通常のバックコンバータ電流
源におけるスイッチング損失は非常に大きい電力損失を
生じ、したがってそのような回路は電流源としては非常
に非効率である。それ故スイッチング損失を最小にする
電力変換技術が所望され、図２に示されるような疑似共
振ダイオード駆動電流源20が開発されたものである。こ
の実施例のダイオード駆動電流源20はゼロ電流スイッチ
疑似共振コンバータ21である。このコンバータ21は部品
の寄生を利用し、或いは最小限その影響が無視できるよ
うに部品の寄生をマスクする。
【００１４】ゼロ電流スイッチ疑似共振コンバータ21は
電源22を備え、それは直列に接続されたスイッチトラン
ジスタ24 (Ｑ1)、共振インダクタ27 (Ｌ1)、フィルタイ
ンダクタ28 (Ｌ2)を通って発光ダイオード31に結合され
ている。通常の電源フィルタ（図示せず）は図２の回路
で容易に使用されることができる。ダイオード25 (ＣＲ
1)はスイッチトランジスタ24と並列に結合されている。
キャッチダイオード29(ＣＲ2)および共振キャパシタ30
(Ｃ1)は共振インダクタ27 (Ｌ1)とフィルタインダクタ2
8 (Ｌ2)との接続点と電源の負端子との間に結合されて
いる。電流センサ32は発光ダイオード31に結合される出
力電流を検知し、検出ライン33によって疑似共振制御装
置26に結合され、この制御装置26はスイッチング周波数
を変化させることによってスイッチトランジスタ24 (Ｑ
1)を流れる電流の平均値を調整する。
【００１５】共振インダクタ27 (Ｌ1)はスイッチング時
間中スイッチトランジスタ24 (Ｑ1)に対して高いインピ
ーダンスを与えてスイッチトランジスタ24 (Ｑ1)のスイ
ッチングにおける損失をなくすことを可能にする。共振
キャパシタ30 (Ｃ1)はキャッチダイオード29 (ＣＲ2)の
キャパシタンスおよび逆回復をマスクし、したがってキ
ャッチダイオード29 (ＣＲ2)のスイッチング損失を除去
にする。この構成は本質的に損失のないスイッチングを
可能にする。共振コンバータの詳細な回路の説明は種々
の文献に記載されている（例えばUnitrode Integrated
Circuit Corporation による1990年4 月出版の“Linear
Integrated Circuits Data and Applications Handboo
k 参照）。
【００１６】疑似共振電流源20の動作について回路の動
作波形を示す図３および図４を参照にして以下詳細に説
明する。最初ゼロ状態と仮定する。スイッチトランジス
タ２４はオンになり、入力電圧は共振インダクタ２７の
両端に供給される。共振インダクタ27はスイッチトラン
ジスタ24と直列であるから、電流の立上りはＶin／Ｌ1
によって制限される。スイッチトランジスタ24は本質的
にゼロコレクタ（またはドレイン）電流でオンに切替え
られ、スイッチング損失はゼロである。入力電圧は共振
インダクタ27と共振キャパシタ30とよりなる非常に低制
動のＬＣＲ低インピーダンスタンク回路に供給される。
ターンオンから入力電流は上昇し、スイッチトランジス
タ24を通ってタンク回路を正弦波で流れる。共振キャパ
シタ30は入力電流によって２Ｖinに充電される。入力電
流は正弦波で変化を続け、極性が反転して逆方向にダイ
オード25を通って電源22に流れる。この逆電流により共
振キャパシタ30は放電される。スイッチトランジスタ24
はこの共振キャパシタ30が放電される時間はオフに切替
えられる。したがってこの時スイッチトランジスタ24を
通って流れる電流は存在しないからスイッチトランジス
タ24のオフ時もまた損失ゼロである。入力電流はそれか
ら再びゼロになり、ダイオード25はオフに切替えられ
る。次のサイクルが開始し、スイッチトランジスタ24は
再びオンに切替えられ、前記過程が繰り返される。共振
キャパシタ30は各サイクルに１度充電（および放電）さ
れる。
【００１７】サイクルが反復されるとき、フィルタイン
ダクタ28は電流の流通を開始する。上記の共振キャパシ
タ30の充電は発光ダイオード31のインピーダンスを通っ
てフィルタインダクタ28の両端の電圧による電流を供給
する。このインダクタ28中の電流立上り（ｄｉ／ｄｔ）
は共振キャパシタ30に供給された電圧（ＶＣ1 ）×サイ
クル速度に比例する。それ故、インダクタ28中の電流、
したがって発光ダイオード31の電流はスイッチトランジ
スタ24が切替えられる周波数を変化させることによって
制御される。出力電流は検出され、制御ループは動作周
波数を変化して出力電流を調整する。
【００１８】定常状態出力電流における動作は上記の説
明とは若干異なる。疑似共振ダイオード駆動電流源20の
定常状態動作波形を示している図５を参照して説明す
る。これらの図に示された時より前にコンバータは定常
状態に到達しているものとする。スイッチトランジスタ
24はオフであり、入力電流（Ｉin）はゼロであり、共振
キャパシタ30の両端の電圧（ＶＣ1 ）はゼロであり（実
際には１ダイオード電圧降下だけゼロより下である）、
出力電流（Ｉout ）はフィルタインダクタ28およびキャ
ッチダイオード29を通って流れる。出力電流がセンサ32
によって検出され、低下しているのでスイッチトランジ
スタ24はオンに切替えられる。出力電流Ｉout は共振イ
ンダクタ27およびダイオード25を通って流れ続けるので
電圧（ＶＣ1 ）はゼロボルトのままである。入力電圧Ｖ
inが共振インダクタ27の両端に印加されるとＩinは直線
的にＩout に上昇し、その後まもなくＩin＞Ｉout にな
り、電流は共振キャパシタ30に流れて疑似共振が始ま
り、最初共振キャパシタ30に流入し、ダイオード25を通
って電源に戻る電流が生成される。出力電流は共振タン
ク回路に対する制動抵抗として作用し、ダイオード25を
通る電流はスタートのときよりもはるかに小さい。電圧
（ＶＣ1 ）がゼロボルトに到達すると、Ｉout が再びキ
ャッチダイオード29を通って流れ始める。Ｉinが変化し
てゼロに戻るときサイクルは完了する。
【００１９】疑似共振ダイオード駆動電流源20は通常の
ＳＰＩＣＥベースの解析を使用してシミュレートされ
た。このシミュレーションで図３乃至５に示された波形
が生成された。シミュレーションの結果は上述の機能お
よび利点を示している。
【００２０】疑似共振ダイオード駆動電流源20の実験例
が組立てられ、試験された。この実験例の性能は予測さ
れた性能とよく一致している。効率測定が行われ、計算
された効率は８５〜９０％程度であった。疑似共振ダイ
オード駆動電流源20の変換効率は約９５％に改善される
可能性があることが認められる。
【００２１】以上、本発明は新しい、改善された固体レ
ーザの給電に使用される疑似共振電流源が説明された。
上記の実施例は本発明の原理を適用する多くの実施例の
いくつかの例示に過ぎないものであり、多くの他の変形
変更が本発明の技術的範囲を逸脱することなく、当業者
によって行われることができることを理解すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の疑似共振ダイオード駆動電
流源を使用したレーザダイオード駆動回路のブロック
図。
【図２】本発明の１実施例の疑似共振ダイオード駆動電
流源の回路図。
【図３】図２の疑似共振ダイオード駆動電流源の動作波
形図。
【図４】図２の疑似共振ダイオード駆動電流源の動作波
形図。
【図５】図２の疑似共振ダイオード駆動電流源の定常状
態の動作波形図。
【符号の説明】
11…電荷供給源、20…疑似共振電流源、26…疑似共振制
御装置、31…発光ダイオード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・エイチ・ウルマン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90630、サイプレス、ナシャーウエナ・コ ート 11365

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電源と、 発光ダイオードと、 電源と発光ダイオードとの間に結合されて発光ダイオー
    ドにパルス電流を供給する疑似共振コンバータと、 発光ダイオードを通る電流を感知する感知手段と、 この感知手段に接続され、発光ダイオードに供給される
    パルス電流の振幅を調整する制御手段とを具備している
    ことを特徴とする電流源。
  2. 【請求項２】 疑似共振コンバータは、ゼロ電流スイッ
    チ全波疑似共振バックコンバータを備えている請求項１
    記載の装置。
  3. 【請求項３】 疑似共振コンバータは、 並列に結合されたダイオードを有するスイッチトランジ
    スタと、 共振インダクタと、 フィルタインダクタと、 フィルタインダクタと発光ダイオードの直列回路に並列
    に接続された共振キャパシタおよびキャッチダイオード
    とを備えている請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 電荷供給源と、 この電荷供給源に結合されて電荷を蓄積する電荷蓄積手
    段と、 この電荷蓄積手段に結合された複数の発光ダイオードを
    それぞれ有する複数の発光ダイオードアレイと、 複数の発光ダイオードアレイにそれぞれ結合され、疑似
    共振ダイオード駆動パルス電流源を構成する複数のダイ
    オード駆動回路とを具備していることを特徴とするレー
    ザ駆動回路。
  5. 【請求項５】 疑似共振ダイオード駆動電流源は、 電荷蓄積手段と複数の発光ダイオードアレイの選択され
    た１つとの間に結合されて発光ダイオードアレイにパル
    ス電流を供給する疑似共振コンバータと、 選択された発光ダイオードアレイを通る電流を感知する
    感知手段と、 この感知手段に結合され、選択された発光ダイオードア
    レイに供給されるパルス電流の振幅を調整する制御手段
    とを備えている請求項４記載の駆動回路。
  6. 【請求項６】 疑似共振コンバータは、ゼロ電流スイッ
    チ全波疑似共振バックコンバータを備えている請求項５
    記載の駆動回路。
  7. 【請求項７】 疑似共振コンバータは、 電荷蓄積手段と複数の発光ダイオードアレイの選択され
    た１つとの間に結合されたスイッチング手段と、 スイッチング手段と複数の発光ダイオードアレイの選択
    された１つの間に直列に結合された共振インダクタおよ
    びフィルタインダクタと、 フィルタインダクタおよび複数の発光ダイオードアレイ
    の選択された１つに並列に結合されたキャッチダイオー
    ドおよび共振キャパシタとを備えている請求項６記載の
    駆動回路。
JP9980193A 1992-04-24 1993-04-26 疑似共振ダイオード駆動電流源 Expired - Fee Related JP2577179B2 (ja)

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JPH0629575A true JPH0629575A (ja) 1994-02-04
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US (1) US5287372A (ja)
EP (1) EP0567280B1 (ja)
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