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廈門禾芯電子有限公司

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電流模塊交錯并聯的光纖激光器電源研制

本文提出以4路電流模塊LTM4601并聯的方式實現低壓大電流輸出的解決方案,其關鍵是并聯模塊間的均流,設計以4路交錯90度的波形分別同步4路模塊的波形交錯技術實現。設計的獨特之處在于并聯電源系統輸出電流母線引入電流反饋以實現輸出電流值的控制?;诖箅娏饔∷㈦娐钒澹≒CB)設計得到電源樣機,其試驗結果與設計目標基本相符。實驗得到最大輸出電流達到40A,電源轉換效率在80%以上,并驗證電源系統的電壓保護和過電流保護以及強制停機等功能。

  21世紀科學技術發展的主要標志和現代信息社會光電子技術的支柱之一,激光技術和激光產業的發展受到世界先進國家的高度重視。

   1962年世界上第一個GaAs半導體激光器問世以來,已有四十余年的歷史。激光器二極管(LD)的出現和發展,極大的縮小了激光器的體積,提高了電能輸入到激光輸出功率的轉換效率;同時以二極管激光管列陣作為泵浦源的大功率激光器,半導體列陣泵浦固體激光器(DPSSL)和LD列陣泵浦光纖激光器也相繼問世,其基本的電氣特征是低壓大電流。

低壓大電流電壓調節模塊(VRM)能夠實現低壓大電流輸出,VRM或其并聯方式能夠實現1.5V左右50A及更高的電流輸出,并具有滿足效率高和動態響應速度快等特點。

  VRM或其并聯主要是以微處理器作為目標負載進行設計,因此VRM并不適合直接用于驅動大功率激光二極管(LD)及其列陣的半導體激光器或以其作為泵浦源的激光器。半導體激光器驅動電源電路還要滿足輸出電流恒定、紋波小和嚴密的保護的要求。半導體激光器電源雖然在體積、重量、可靠性和安全性有所發展,但是仍然不適合便攜式或手持式激光器系統的使用要求。

  本文介紹一種便攜式LD列陣泵浦光纖激光器的驅動電源的設計方案,恒流電源模塊并聯以實現大電流的恒流輸出,采用波形交錯技術同步并聯模塊以降低輸入和輸出紋波,因此減少輸入和輸出電容值,并且電流輸出母線引入電流反饋以實現激光器輸出光功率大小的控制。

  半導體激光器的工作特性是低壓大電流,因此采用降壓(buck)拓撲。二極管工作時會產生0.4--0.8V的正向壓降,是大電流輸出的主要轉換器損耗;以正向壓降很小的同步整流功率場效應管(SRMOSFET)代替,其15A輸出電流下正向壓降只有0.1V甚至更低,這樣至少減少了75%的電源功率損耗。

  1988年,美國麻省寶麗來公司的EliasSnitzer和HongPo等人最早提出了雙包層光纖激光器的構想。隨著上世紀末光纖通信的飛速發展和大功率半導體激光器制造工藝的進一步成熟,進入21世紀后,光纖激光器以其獨特的優勢得到了迅猛發展。商品化的光纖激光器產品已突破一萬瓦,光纖激光器的應用范圍已擴展到工業加工、國防軍事、醫療衛生、科學研究等領域。作為一種新型的激光器,光纖激光器也逐漸展現其潛力,成為激光器應用領域的主流激光器之一?,F在英國SPI公司和美國IPG公司已經有能力生產和銷售高功率的光纖激光器,其體積和重量已經基本滿足便攜或手持的要求。

單路SR-buck的輸出電流值過大,轉換器損耗的絕對值就很大,使得電源內部長生很大的熱應力,因此會導致電源的效率急劇下降,并會降低電源連續正常工作時間。多路SR-buck并聯可以分散熱應力,實現高效率的大電流輸出。

  以4路位相相差90度的波形來實現4路SR-buck的交錯并聯,此交錯技術可以有效的實現出入和輸出波形的紋波,降低輸入和輸出濾波電容值,減少電源的尺寸。電流輸出母線上引入電流反饋環路,以實現負載不變條件下對輸出電流值的調控。

  采用凌力爾特(LT)公司的SR-buck拓撲的電流控制模塊LTM4601作為并聯單元,器有點是可以簡單的實現可編程軟啟動,最大輸出電壓值設定和輸出電流值的補嘗控制。采用LT的差分放大芯片LT1620構建電流反饋回路,特有的外部控制輸入端。采用LT的震蕩產生芯片LTC6902實現頻率編程和占空比50%的4相交錯輸出波形輸出。

 




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