0 引言

　　半導(dǎo)體泵浦激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出光束質(zhì)量好、性能可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在激光領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。在軍事應(yīng)用上，高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器在激光測距、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)甚至激光武器等方面具有重要的應(yīng)用前景，已成為各國研究的熱點(diǎn)[3]。作為半導(dǎo)體泵浦激光器的重要組成部分，其驅(qū)動電源的研制也成為重要的核心技術(shù)[4]。與連續(xù)半導(dǎo)體激光器相比，脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源不僅涉及到電流的恒定與大小，而且要具有脈沖寬度、重復(fù)頻率、脈沖形狀、過沖控制、各種異常保護(hù)等功能，設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜度大大增加。目前，較為成熟的脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源一般工作電壓在300 V以內(nèi)，工作電流在250 A以下[5]。

　　在激光相干合成技術(shù)的研究中，為實(shí)現(xiàn)6臺脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器并聯(lián)工作，激光器陣列電源的總體技術(shù)指標(biāo)要達(dá)到：工作電壓0～300 V自適應(yīng)調(diào)整、工作電流0～1 200 A、脈沖寬度200 s～1 000 s、重復(fù)頻率1 Hz～20 Hz均可任意調(diào)整的高電壓、大脈沖電流輸出。

1 陣列電源的整體設(shè)計(jì)

　　陣列電源的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　各陣列電源的工作是靠上位機(jī)控制的，上位機(jī)將限壓、電流、頻率、脈寬、溫控等參數(shù)通過通信與同步信號分配器傳輸?shù)礁麝嚵须娫?。其中，每個電源的工作參數(shù)均可不同，通信與同步信號分配器的作用即是將用戶指令分配到每個陣列電源，使每個電源都能按照用戶的要求進(jìn)行工作。與此同時(shí)，上位機(jī)檢測每個電源的工作參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示。陣列電源正常工作的最大難點(diǎn)在于6路電源同步泵浦，激光器同時(shí)出光，這樣經(jīng)過相干合成后的激光光束更集中，能量更強(qiáng)。另外，由于每臺激光器作為負(fù)載工作時(shí)，對于電源而言，阻抗、容抗等參數(shù)均不同，所以每臺電源的工作電壓都不同，故每臺電源都要根據(jù)負(fù)載情況自動調(diào)節(jié)高壓，所以電源電壓自適應(yīng)問題也是需要解決的難點(diǎn)。最后，為保證六路電源均能正常工作，電源保護(hù)問題也不可忽略，保護(hù)包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、溫度保護(hù)等。

2 陣列電源同步問題

　　由于線路、元器件及激光器晶體泵浦存在一定的延時(shí)，由同步信號分配器輸出的驅(qū)動信號雖然同步分配到各驅(qū)動電源，但最后激光器輸出的脈沖激光并不一定同步，這給6路激光相干合成帶來影響，所以一定要解決輸出激光的同步問題。解決的方法在于每路激光器電源都能延時(shí)觸發(fā)，并且延時(shí)可控。以其中某一臺激光器A1為基準(zhǔn)，同時(shí)測量A1和另一臺激光器A2產(chǎn)生的脈沖信號。當(dāng)檢測到A2脈沖比A1超前Δt時(shí)，通過程序設(shè)定將A2輸出的脈沖延后Δt時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)A1與A2的同步。以此類推，分別調(diào)整A3、A4、A5、A6的觸發(fā)延時(shí)。具體實(shí)現(xiàn)過程可用圖2表示。

      延時(shí)長短需要精確可控，該過程通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)采用dsPIC30F6012A，內(nèi)含5個16位定時(shí)器，外部晶振采用12 MHz。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Fcv=，其中倍頻值選擇8倍頻，可編程分頻值選擇2分頻，故系統(tǒng)時(shí)鐘可計(jì)算為12 MHz。16位定時(shí)器最大計(jì)時(shí)值為216/(12×106)=5 461 s，最小精度可以達(dá)到0.083 s。要實(shí)現(xiàn)延時(shí)脈沖輸出，延時(shí)時(shí)間、脈沖寬度和頻率都可控，1路16位定時(shí)器完全不夠用，采用的dsPIC30F6012A單片機(jī)具有將兩個定時(shí)器相連形成32位定時(shí)器的功能，這樣最大定時(shí)值可以達(dá)到357.89 s，符合具體要求。如圖3所示為單個周期內(nèi)各計(jì)數(shù)器工作的區(qū)間。t1為延時(shí)時(shí)間，采用1個16位定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)t1的范圍為0.083 s≤t1≤5 461 s，線路及系統(tǒng)本身的延時(shí)一般在10 s左右，故1個16位定時(shí)器完全滿足要求。t2為輸出的激光脈沖，一般范圍為200~1 000 s，1個16位定時(shí)器也可滿足要求。t3=1/T-t1-t2，周期T的范圍為1~20 Hz，故t3必須采用1個32位定時(shí)器才能實(shí)現(xiàn)。具體的實(shí)現(xiàn)過程是在每個計(jì)數(shù)周期滿時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的定時(shí)中斷，并輸出相應(yīng)的電平，后經(jīng)過放大整形后送到IGBT的柵極作為整個主回路的驅(qū)動，主回路即可相應(yīng)輸出同相位的驅(qū)動電流，供LD泵浦，最終輸出脈沖激光。對于陣列電源而言，根據(jù)每臺電源的固有延時(shí)不同，只需要改變t1的大小，就能改變t2的起始時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)每臺電源在同一時(shí)刻泵浦，即解決了陣列電源的同步問題。

3 電壓自適應(yīng)

　　激光器驅(qū)動電源的原理圖如圖4所示。陣列電源由于每個激光二極管存在差異，在同樣的驅(qū)動電流ID情況下，激光二極管作為負(fù)載產(chǎn)生的壓降UD均不同，如果每臺驅(qū)動電源的直流高壓源的電壓UC都相等，不能自適應(yīng)，則每臺電源的驅(qū)動電流ID也不能保證相等。假設(shè)IGBT的導(dǎo)通壓降用UCE表示，采樣電阻的壓降用UR=ID×0.01表示(阻值為0.01 Ω)。由公式UC=UCE+UR+UD可知，當(dāng)負(fù)載壓降UD不同時(shí)，只有改變直流電源的電壓UD才能保證每個激光二極管的電流ID不變，這也就是電壓自適應(yīng)問題。

　　采樣電阻壓降UR=ID×0.01，對每一臺電源而言都相同。當(dāng)負(fù)載壓降UD變化時(shí)，直接影響IGBT的導(dǎo)通壓降UCE的變化。圖5是采用的一款I(lǐng)GBT(型號為SKM100-GB12T4)的UCE、UGE、ID的關(guān)系圖。當(dāng)UCE=20 V時(shí)，在室溫下，柵源電壓UGE=10 V即可輸出100 A的負(fù)載電流ID。此時(shí)IGBT處于最佳工作點(diǎn)，因此，只需要檢測UCE的電壓，并通過AD采樣送給單片機(jī)進(jìn)行算法處理，得出直流電源電壓UC的控制量，再經(jīng)過DA輸出，即可使UC隨著負(fù)載UD的變化而變化，從而滿足每臺激光器驅(qū)動電流ID不變的目的，實(shí)現(xiàn)電壓的自適應(yīng)。

4 電源故障保護(hù)

　　每一臺電源都含有各種保護(hù)，包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、溫度保護(hù)。陣列電源的特殊之處在于當(dāng)某一臺電源發(fā)生故障時(shí)，其他電源均要獲取故障信息，并同時(shí)進(jìn)行保護(hù)。因?yàn)殛嚵须娫粗饕獞?yīng)用于6路激光器相干合成研究中，當(dāng)其中一臺激光器發(fā)生異常，勢必會對其他幾臺激光器產(chǎn)生不可預(yù)知的后果，諸如泵浦不均勻、光束質(zhì)量下降、光斑缺失等。所以，陣列電源的故障保護(hù)要協(xié)調(diào)統(tǒng)一。故障保護(hù)的示意圖如圖6所示。當(dāng)某一臺發(fā)生故障時(shí)，該臺電源首先切斷高壓直流電源，分析故障類型，并經(jīng)過串口將故障信息上傳至上位機(jī)；上位機(jī)根據(jù)故障類型判斷需要的動作，進(jìn)而將相應(yīng)的動作經(jīng)過串口傳給其他電源，使其他電源做出反應(yīng)。

5 結(jié)語

　　針對高功率脈沖半導(dǎo)體泵浦激光器相干合成的特殊需要，設(shè)計(jì)完成6路陣列電源。重點(diǎn)分析陣列電源的同步輸出、電壓自適應(yīng)和可靠性保護(hù)等問題。該6路激光器陣列電源已在“六路激光相干合成”研究中得到應(yīng)用。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，同步誤差少于1 s，電壓可完全實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，可靠性工作良好，相干合成后的激光能量可達(dá)到35 J。

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