電流模塊交錯并聯(lián)的光纖激光器電源研制

摘要：提出以4路電流模塊LTM4601并聯(lián)的方式實現(xiàn)低壓大電流輸出的解決方案，其關鍵是并聯(lián)模塊間的均流，設計以4路交錯90°的波形分別同步4路模塊的波形交錯技術實現(xiàn)。設計的獨特之處在于并聯(lián)電源系統(tǒng)輸出電流母線引入電流反饋以實現(xiàn)輸出電流值的控制。基于大電流印刷電路板(PCB)設計得到電源樣機，其實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(tǒng)的過電壓保護和過電流保護以及強制停機等功能。
關鍵詞：波形交錯技術；光纖激光囂；并聯(lián)電源系統(tǒng)；開關電源模塊

自從1960年世界第一臺激光器被發(fā)明以來，激光器就開始被廣泛應用于各領域，然而其龐大的體積并不適合刑偵現(xiàn)場等戶外移動工作。激光器二極管(LD)的出現(xiàn)和發(fā)展，極大地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?，F(xiàn)在英國SPI公司和美國IPC公司已經(jīng)有能力生產(chǎn)和銷售高功率的光纖激光器，其體積和重量已基本滿足便攜或手持的要求。
低壓大電流電壓調節(jié)模塊(VRM)能夠實現(xiàn)低壓大電流輸出，VRM或其并聯(lián)方式能夠實現(xiàn)1．5 V左右50 A及更高的電流輸出，并具有滿足效率高和動態(tài)響應速度快等特點，VRM或其并聯(lián)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(L-D)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(fā)展，但是仍然不適合便攜式或手持式激光器系統(tǒng)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(lián)以實現(xiàn)大電流的恒流輸出，采用波形交錯技術同步并聯(lián)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(xiàn)激光器輸出光功率大小的控制。

1 系統(tǒng)方案
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(chǎn)生0．4～0．8 V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(SR MOSFET)代替，其15 A輸出電流下正向壓降只有0．1 V甚至更低，這樣至少減少了75％的電源功率損耗。其工作拓撲結構如圖1所示。

單路SR-buck的輸出電流值過大，轉換器損耗的絕對值就很大，使得電源內部產(chǎn)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(xù)正常工作時間。多路SR-buck并聯(lián)可以分散熱應力，實現(xiàn)高效率的大電流輸出。圖2是并聯(lián)電源系統(tǒng)方案框圖，以4路位相相差90°的波形來實現(xiàn)4路SR-buck的交錯并聯(lián)，此交錯技術可以有效的實現(xiàn)輸入和輸出波形的紋波，降低輸入和輸出濾波電容值，減小電源的尺寸。電流輸出母線上引入電流反饋環(huán)路，以實現(xiàn)負載不變條件下對于輸出電流值的調控。