半導(dǎo)體激光管(LD)的電源系統(tǒng)設(shè)計

半導(dǎo)體激光管(LD)和普通二極管采用不同工藝，但電壓和電流特性基本相同。在工作點時，小電壓變化會導(dǎo)致激光管電流變化較大。此外電流紋波過大也會使得激光器輸出不穩(wěn)定。二極管激光器對它的驅(qū)動電源有十分嚴(yán)格的要求；輸出的直流電流要高、電流穩(wěn)定及低紋波系數(shù)、高功率因數(shù)等。隨著激光器的輸出功率不斷加大，需要高性能大電流的穩(wěn)流電源來驅(qū)動。為了保證半導(dǎo)體激光器正常工作，需要對其驅(qū)動電源進(jìn)行合理設(shè)計。并且隨著高頻、低開關(guān)阻抗的MOSFET技術(shù)的發(fā)展，采用以MOSFET為核心的開關(guān)電源出現(xiàn)，開關(guān)電源在輸出大電流時，紋波過大的問題得到了解決。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
    裝置輸入電壓為24 V，輸出最大電流為20 A，根據(jù)串聯(lián)激光管的數(shù)量輸出不同電壓。如果采用交流供電，前端應(yīng)該采用AC／DC作相應(yīng)的變換。該裝置主要部分為同步DC／DC變換器，其原理圖如圖1所示。

    Vin為輸入電壓，VM1、VM2為MOSFET，VM1導(dǎo)通寬度決定輸出電壓大小，快恢復(fù)二極管和VM2共同續(xù)流電路，整流管的導(dǎo)通損耗占據(jù)最主要的部分，因此它的選擇至關(guān)重要，試驗中選用通態(tài)電阻很低的M0SFET。電感、電容組成濾波電路。測量電阻兩端電壓與給定值比較后，通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬，保持負(fù)載電流穩(wěn)定。VM1關(guān)斷，快恢復(fù)二極管工作，快恢復(fù)二極管通態(tài)損耗大，VM2接著開通續(xù)流，減少系統(tǒng)損耗。

2 工作原理
    VM1導(dǎo)通ton時，可得：，電流紋波為：，VM1關(guān)斷，電流通過VD續(xù)流，接著VN2導(dǎo)通。由于VM2的阻抗遠(yuǎn)小于二極管阻抗，因此通過VM2續(xù)流。VMl、VN2觸發(fā)脈沖如圖2所示。圖2中td為續(xù)流二極管導(dǎo)通時間。

    二極管消耗的功率為P=VtdI0。一般快恢復(fù)二極管壓降0．4 V，當(dāng)電流20 A時，二極管消耗功率為0．8 W。如采用MOSFET，則消耗的功率將小很多。本實驗采用威世半導(dǎo)體公司的60 A的MOSFET，其導(dǎo)通等效電阻為0．0022 Ω。當(dāng)電流為20 A時，消耗功率約為0．088 W。
    由電流紋波公式可知，增大電感、減小ton都可以減小紋波。為了不提高電感容量，實驗中采用200 kHz的工作頻率，其中電感選用4．8-μH，根據(jù)公式可得激光管壓降2 V時紋波電流約為1 000 mA。
    系統(tǒng)采用了電流負(fù)反饋電路，以適應(yīng)激光二極管的要求。當(dāng)負(fù)載變化，電流略大于給定電流時，減小ton寬度，電壓降低。電流略小于給定電流時，增加ton寬度，這樣可以維持電流穩(wěn)定。圖3所示為脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)。

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 圖3中，R1，R2為電壓測量電阻，Rc為電流測量電阻。調(diào)節(jié)R1可以設(shè)定最大輸出電壓。Rc限制最大輸出電流。當(dāng)最大電壓或電流其中一個達(dá)到給定值，則脈沖寬度最大。這樣可以保證負(fù)載正常工作。
    其仿真結(jié)果如圖4所示。

3 實驗結(jié)果
    實驗曲線如圖5所示，實驗數(shù)據(jù)為輸入電壓12 V，輸出電壓2 V左右，測量電阻0．0025 Ω，最大輸出電流20 A。

    實驗中用50 A的2個二極管串聯(lián)作為負(fù)載，輸入電壓12 V時，不同電流下輸出及效率如表1所示。