（光学工程专业论文）新型半导体激光器电源的研制.pdf

sr ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ，签名：主攫趁童日期：。年( 月玷日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盗巍支 导师签名： 日期：幽向年上月沾日 ：乏 幻毛 u 摘要 摘要 随着半导体激光器的应用范围越来越广泛，其驱动电源也越来越得到人们的 重视，应用数字芯片对激光器电源进行控制，可以简化激光电源的硬件结构，提 高电源的性价比，增强电源的稳定性和准确性，加大了对系统的自动化控制，为 系统的扩展提供了有利的条件，因此，数字化、智能化是半导体激光电源发展的 必然方向。 开关电源具有体积小、效率高，稳定性能好以及保护功能完善等优点，在各 种电能场合得到广泛应用。在经过分析比较之后，该激光器电源采用了功率因数 校正电路和正激电路的方案，通过单片机系统对电源进行控制保护。半导体激光 器电源主要由以下几个部分组成：功率因数校正电路、双管正激电路、开关管驱 动电路、控制电路，保护电路，辅助电源等。 本文详细分析了半导体激光电源，给出了该电源的实现方案，对电源主电路 进行了详细讲述，给出了参数的计算和器件的选定，描述了功率因数控制电路和 脉宽调制波产生电路的设计，半导体激光器电源采用了英飞凌1 6 位微型控制器实 现了系统的智能化控制，描述了智能控制系统的工作原理和硬件结构。给出了激 光器电源的软件设计，最后对系统的硬件和软件进行调试，对整机系统进行了试 验调节，整机运行良好，系统保护功能正常，实现了恒流输出，最终圆满的完成 了设计任务。 该激光电源具有恒流大电流的输出特性，通过采用开关电源和微控制器实现 系统方案，使得激光电源系统具有体积小、保护完善、智能化程度高和使用方便 等优点。 关键词：半导体激光器，恒流源，功率因数校正，正激电路，单片机 0 以 0 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r sa r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm a n yf i e l d s ，i t s p o w e rs u p p l ya l s oh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n sb ym o r ep e o p l e i fd i g i t a lc h i p sa r e u s e dt oc o n t r o ll a s e rp o w e r , t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fl a s e rp o w e rs u p p l yc a nb e s i m p l i f i e d ，c o s tp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d ，t h es t a b i l i t yo fp o w e r s u p p l ya n da c c u r a c y a r ee n h a n c e d ，a u t o m a t i cc o n t r o li s s t r e n g t h e n e da n di t sf u n c t i o ni se a s ye x p a n d e d d i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n ti st h ei n e v i t a b l ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h es e m i c o n d u c t o r l a s e r sp o w e r s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lv o l u m e ，h i g h e f f i c i e n c y , g o o ds t a b i l i t y , c o m p l e t e l ya n ds oo n ，i ti su s e dw i d e l yu n d e re l e c t r i c a l e n e r g ys i t u a t i o n b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ta n d f o r w a r dc o n v e r t e rc i r c u i ta r eu s e d ，a n dm i c r o c o n t r o l l e ru n i ti su s e dt oc o n t r o la n d p r o t e c ts y s t e m s e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e rm a i n l yb yt h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ： p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ，d o u b l ef o r w a r dc i r c u i t , s w i t c hd r i v ec i r c u i t c o n t r o l c i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，a u x i l i a r yp o w e rs u p p l i e sa n ds oo n t h es e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e r s u p p l yw a sa n a l y z e d ，t h ep o w e rs c h e m ew a sg a v e ， a n dt h em a i nc i r c u i tp o w e rs u p p l yd e s c r i b ei n d e t a i l ，g i v e nt h ep a r a m e t e r so ft h e c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no fd e v i c e s ，a n dt h ep o w e rf a c t o rc o n t r o lc i r c u i ta n dt h ep w m w a v eg e n e r a t o rc i r c u i tw a s d e s i g n e d 1 6 一b i tm i c r o 。c o n t r o l l e ru n i tp r o d u c e db y i n f e n i o nc o r p o r a t i o nw a su s e df o ri n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi ns e m i c o n d u c t o rl a s e r p o w e r , a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m sa n dh a r d w a r es t r u c t u r e w e r ed e s c r i b e d t h es o f t w a r eo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e rw a s d e s c r i b e d f i n a l l y , t h e s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed e b u g g e d t h es y s t e mw a st e s t e do nt h em a c h i n e a d j u s t m e n t s y s t e mw o r kw e l la n dp r o t e c t i o nf u n c t i o nw o r kn o r m a l l y , c o n s t a n tc u r r e n t o u t p u t i s a c h i e v e d ；t h ef i n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nt a s ki s c o m p l e t e d s u c c e s s f u l l y t h es e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e rh a sc o n s t a n t c u r r e n t o u t p u t ，s w i t c h i n gp o w e r s u p p l ya n dm i c r o - c o n t r o l l e rs y s t e mi su s e dt om a k et h el a s e rp o w e rs u p p l yi ss m a l l ， i i a b s t r a c t w e l l p r o t e c t e d ，h i g l li n t e l l i g e n c ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n k e y w o r d ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r d i o d e ，c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ，p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ，f o r w a r dc o n v e r t e r ，m i c r o - c o n t r o l l e ru n i t i i i 目录 目录 c 。 第一章绪论1 1 1 激光电源的发展。1 1 2 电力电子技术在激光电源中的应用2 1 3 研究半导体激光器的意义5 1 4 半导体激光器电源国内外研究现状。5 1 5 半导体激光器驱动技术6 第二章半导体激光器电源的结构和基本原理8 2 1 弓i 言8 2 2 功率因数校正电路8 2 2 1 功率因数8 2 2 2 功率因数校正技术意义。9 2 2 3 功率因数校正技术的发展概况1 0 2 2 4 升压式有源功率因数校正1 2 2 3 双端正激电路1 6 2 3 1开关电源常用拓补结构。1 6 2 3 2 双端正激结构原理1 7 2 4 j 、结1 9 第三章连续激光电源电路设计2 0 p 3 1 系统整体设计2 0 。 3 2 有源功率因数校正电路设计2 1 3 2 1b o o s t a p f c 电路元器件的设计2 1 3 2 2a p f c 控制电路设计2 4 3 3 正激变换电路设计3 2 3 3 1 变压器设计3 2 3 3 2 输出滤波器设计3 4 3 3 3开关管设计3 5 3 4p w m 电路设计3 6 i v 目录 3 4 1 特点和引脚说明3 6 3 4 2u c 3 8 4 6 控制电路连接3 9 3 4 3p w m 驱动电路4 3 3 5 系统控制电路和辅助电源4 5 3 5 1 系统控制电路设计4 5 3 5 2 辅助电源设计4 7 3 6p c b 制作4 8 3 7 小结4 9 第四章软件系统设计5 0 4 1 编程软件介绍5 0 4 2 程序设计5 1 4 2 1 功能描述5 1 4 2 2 程序设计思路5 2 4 2 3 主程序设计5 2 4 2 4 通信正常和软件复位中断处理函数5 4 4 2 5 普通控制命令和数据中断处理函数5 5 4 2 6 系统状态信息发送中断处理函数5 6 4 3 j 、结5 6 第五章调试结果及注意事项5 7 5 1 硬件调试5 7 5 2 软件调试5 7 5 3 整机调试5 9 5 3 1 脉宽调制波形测试5 9 5 3 2 输出电压电流测试6 0 5 3 3 输出纹波电流测试6 1 5 4 j 、结6 2 第六章结论6 3 参考文献6 5 致谢6 8 攻读学位期间发表的学术论文6 9 v 第一章绪论 1 1 激光电源的发展 第一章绪论 激光电源是激光器装置最重要的部分之一，它的性能的完善是伴随着激光器 的发展而实现的。 激光器从诞生到现在所经过的时间只有几十年，可是，在这么短暂的时间里， 激光技术的发展速度是令人震惊的，半导体激光器成为了现在应用最广泛的激光 器，它在科研、工农业、军事及医疗等许多领域得到了广泛的应用l l j 。半导体激 光器电路发展的初期只是采用模拟控制方式，模拟控制要求的是手动调节的方法， 虽然该方法的电路相对简单，精度也能达到极高的要求，但是其控制方式并却并 不适合应用在工业上，工业上的应用对电路精度和自动化控制要求极高。随着半 导体技术的发展，集成电路技术得到长足的进步，单片机等数字控制芯片的出现 使得半导体激光器也得到了极大的发展，但是，初期的单片机性能不佳，并不适 用于半导体激光器驱动电路，因此，在发展的初期，仍然是采用的模拟控制技术。 随着集成电路技术的慢慢成熟，单片机等控制芯片的性能逐渐稳定提高，开 始广泛的应用于各种控制领域，半导体激光器驱动电路也开始大量的采用其进行 控制。应用单片机等数字控制器来控制激光电源具有极大的优点，首先在电路上 它的众多外围集成功能可以极大的简化激光电源的电路，其次，应用数字控制器 增加了电源的性价比，增强了系统的控制程度，使得整机的自动化控制得到极大 的提高，同时在电源系统的精度和稳定度方面也得到了加强，所以说，基于微型 计算机的数字化控制能够更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性 问题。 伴随着大规模集成电路的发展和半导体激光器的广泛使用，半导体激光电源 的发展越发引人注目，其专用驱动器得到面市。现在，在光通信领域里，半导体 激光器得n t 大量的使用，其应用的地方很多，因此促进了光通信领域下，半导 体激光器驱动器芯片的发展，同时，大规模集成电路技术得到应用，增加了驱动 电源的集成度，使得驱动电源的可靠性得到极大的提高。现在，光电子集成技术 大力发展，给激光器电源带来了新的局面，将激光器与其驱动电源集成在一起的 电子科技大学硕士学位论文 技术开始发展【z j 。 近年来，集成电路发展迅速，众多安全可靠的集成芯片出现，数字化，智能 化的芯片大量的应用，增加了电路的可控性和稳定性，这也成为了l d 激光器电 源的必然发展方向。d s p 、f p g a 、单片机等数字处理芯片大量应用到l d 激光电 源中，使得激光电源的稳定性得到提高，同时加大了激光电源的可控制性，促进 了激光电源的发展，但是激光电源的稳定性主要还是与开关电源电路的发展有着 密切的联系。 1 2 电力电子技术在激光电源中的应用 电力电子器件大量的应用于电力电子技术中，使得电力电子技术得到极大的 发展，同时电力电子技术的大力发展，也将新型的电力技术应用在了激光电源中， 使得激光电源也得到了大力的发展的。可以说，激光器驱动的发展是以电力电子 技术为基础，而电力电子技术的每一次发展都以新器件的发展为基础。新器件的 发展带动了激光驱动器的发展。下面就介绍一下电力电子器件中，刺激激光电源 发展的开关管的发展状况【3 h 5 1 。 1 、可控硅整流器s c r s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) 是晶闸管中最具代表的一种，在电力电子 发展的早期，s c r 是各种电路中最常用的开关器件，早期的激光电源电路中大多 都有它的存在，s c r 可以承受极大的电流电压，工作中性能非常的稳定，即使是 到了现在，更多的开关器件被研究和使用，它仍然是现有的所有开关器件中承受 的电压和电流容量最高的，所以在现在的大容量电路中，s c r 的应用仍然是十分 广泛的，也一直在被应用到电力电子技术中。 2 、电力晶体三极管 晶体三极管主要包括双极性晶体管( b i p o l a ri u n c t i o nt r a n s i s t o r ，b j t ) 和场效 应管( f i l e de f f e c tt r a n s i s t o r ，f e t ) 两种类型。但由于b j t 比f e t 问世早，人们 在提及晶体三极管时往往指的是b j t 【6 1 。 b j t 是一种电流型的全控器件。现在，电力晶体三极管的发宸方向是希望可 以做到大电压，高容量。双极功率晶体管在应用上的缺点是，在工作时，随着阻 断电压的逐渐增加，开关器件的增益会出现降低，这样会使开关器件的控制信号 加大，从而增加了电路的成本。 2 第一章绪论 b j t 的性能决定了它适合于中小功率电路，它的出现取代了晶闸管在该场合 的应用，但是随着更多优秀的器件的产生，它也逐渐被i g b t 和m o s f e t 所取代。 现在b j t 的应用并不太多。 3 、门极可关断晶闸管( g ，r o ) 门极可关断晶闸管g t o ( g a t et u m o f f t h y r i s t o r ) 也是属于晶闸管的一种， 算是晶闸管的派生器件，但是它与晶闸管不同，g t o 是一种全控型的开关器件， 如果在g t o 的门极加上负脉冲电流，g t o 就会关断。从性能上说，g t o 在开关 频率、功耗等许多方面都是比不上i g b t 和电力m o s f e t 的，可是它也拥有它的 优点，就跟大多数的晶闸管一样，g t o 在电流电压大的时候有很大的优势，同时， g t o 的特性决定了它在很多应用场合都能够有极好的表现，比如说：直流输电、 无功补偿、大功率直流电源、超大功率和高压变频调速，因此它的发展前景仍然 是十分被看好的。但是g t o 的关断损耗极大，因此在高电压状况下，其应用得 到了限制，不过g t o 的关断速度是是十分快的，具有高关断电流容量和大关断 安全工作区，因此晶闸管的一个发展方向就是向g t o 发展。 4 、电力场效应晶体管- - m o s f e i t 场效应管按照结构分类一般分为结型f e t 和金属氧化物半导体f e t ( m o s 脚) ，通常我们说的场效应晶体管指的是绝缘栅型m o s f e i t ，简称m o s 管 7 1 。m o s f e t 是2 0 世纪6 0 年代发明的，它是一种电压驱动全控型器件。在开 关速度上，m o s f e t 要比b j t 慢很多，可是m o s f e t 的优点在于它体积小、功 耗低、易于大规模集成，所以在发展上得到极大的支持，现在在实际应用中用到 的很多，用途相当广泛，是现在应用最广的开关器件之一。它的驱动比双极型晶 体管来得简单，在开关管工作的时候，其驱动电压一般在1 0v 1 5v 之间。因为 其是电压控型器件，所以其开关驱动控制功率很小，开关速度快，但时在开关时 具有很大的通态压降，所以在高压大电流方面技术难点有待攻破。 5 、绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 结合了b j t 和m o s f e i t 器件的优点，使得输 入具有m o s f e i t 管的特点，输出具有b j t 的特点，在市场竞争方面具有较大的 优势，现在，i g b t 大量应用在电力电子技术中。 i g b t 由电压控制开通和关断，控制功率小，它能做到的开关速度比m o s f e t 要小，但是是大于b j t 的，因此在应用上非常具有优势，i g b t 的优点决定了它 的发展十分迅速，该器件也是目前应用最广泛的开关器件之一。 3 电子科技大学硕士学位论文 6 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 和集成门极换流晶闸管( 1 g c t ) m c t 是一种新型的场控制器件，它在结构上是将m o s f e t 和晶闸管结合在 了一起，同时具有了两者的优点，因此，它的触发驱动电路相对简单，并没有g t o 那么复杂。此外其通态降低，电压、电流容量可以做的比较大。可是制作m c t 的工艺比起其他的器件要复杂的多，所以成品率不高。 在i g c t 发展最初，一致认为它是最有可能取代晶闸管的开关器件，但是它 的技术难点一直无法取得进展，现在研究该器件的越来越少，反而是i g b t 开关 器件后来居上，得到广泛的认同。 集成门极换流晶闸管i g c t 实际上将i g b t 和g t o 的优点结合起来的一种新 型电力器件。同时具有两者的优点，则其的应用范围和选择性都比较高。但是i g c t 的缺点是该器件需要极大的驱动功率，只是其优点更加显著，因此其发展也是极 为快速的，并且开始应用于实际应用中，在今后，i g c t 所应用的范围包括了电 力系统的高压直流输电、无功补偿和谐波补偿等装置。 7 、电感应晶体管s i t 和静电感应晶闸管s i t h 静电感应晶体管和静电感应晶闸管一样，两者的通断状态的控制都必须以 静电感应来得以实现，静电感应速度极快，使得两种电子器件都具有相当快的开 关速度，其开关的速度可以小于l # s ，极快的开关速度决定了二者的开关频率可 以达到极高的频率，现在在较大功率的应用场合中，它们开始逐渐取代以前的大 功率电子管器件。 8 、功率集成电路p i c 功率集成电路其实就是将电力电子开关器件与一些控制系统集成在一起，控 制系统包括工作状态的监测、故障保护、驱动信号的处理、缓冲电路等。功率集 成电路也分为很多种，不同的而集成块在侧重性和要求上都是不同的，其中就包 括了比如高压集成电路h v i c 、智能功率集成电路s p i c 、智能功率模块i p m 等。 功率集成电路主要是采用了硅集成技术来进行模块的集成和进行封装，这种技术 可以在很大程度上降低设备的成本，同时缩d , y 集成系统的体积，大大提高了模 块系统可靠性。， 功率集成模块的优势十分明显，因此这种“功能性 模块得到长足的发展。 电力电子器件今后发展的方向主要在于： a 大容量化，即高压、大电流； 4 第一章绪论 b 高频化，对开关速度方面进行提高； c 器件易驱动化，这个趋势主要指的是电压驱动； d 低导通压降，使导通损耗得到降低； e 模块化，可以令主电路结构简单，缩小了系统体积； f 功率集成化，将驱动、保护、检测等功能与器件集成在一起，使得装置更 加简单。 1 3 研究半导体激光器的意义 激光技术起源于2 0 世纪6 0 年代，激光技术自从出现之后，一直发展非常的 快速。半导体激光器在应用中，一般情况下都会有很长的使用寿命，但是在实际 应用中，往往会有以下操作上的失误，这就会造成激光器寿命上的减短，有时候， 会直接造成激光器毁坏f 8 】【9 】。激光器十分的敏感，对于电压电流都有极灵敏的反 应，极容易受到损害，因此，激光器电源的性能直接决定了激光器的使用，对于 驱动电源的研究也一直为人们所重视。研究性能良好的激光器电源一直是一个重 要的技术。 由于半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲 击的承受能力很差，因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的 要求。我们在设计过程中，也着重考虑了对激光器进行安全有效地保护，比如限 流问题，防止浪涌冲击问题，延时软启动问题等。 目前，在国内，部分科研院所和公司虽有相应的产品，但其档次，系列尚不 够全面。因此，品质优良的半导体激光器驱动电源的研制势在必行。 1 4 半导体激光器电源国内外研究现状 国外对半导体激光器的电调谐和驱动电源的研究已经取得了不错的成果，在 德国、英国、日本等国家，半导体激光电源研制技术已经比较成熟，技术水平明 显高于国内的研究水平。据文献报道，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上 百安培，脉冲宽度达到纳秒【9 】【1 0 】，甚至皮秒级的半导体激光电源。 我国对半导体激光器研究的起步较晚，对半导体激光电源的研究在原理上也 是大多继承了国外成熟的理论，尽管如此，在国内科研人员的努力下，我们还是 电子科技大学硕士学位论文 取得了不少成果。从国内主要期刊的论文情况来看，主要研究方向是控制激光器 注入电流和控制激光器工作温度来实现对激光器输出功率的控制，并结合两方面 的研究成果，在电流和温度两方面对激光器进行综合控制，研制出一系列多功能 的半导体激光电源。 1 、用模拟技术实现激光器电流调制的主要思路是通过检测电流和软开关来控 制激光器注入电流的大小，当电流值大于预定值时，软开关关闭，注入电流变小； 当电流值小于预定值时，软开关打开，注入电流变大。如此反复，并将电流控制 在允许范围之内，从而实现电流的动态稳定【1 l l 。 2 、数字技术调制激光器电流的主要思路是利用单片机或p c 机作为系统的主 机，通过采集电源输出电流数据并将数据传输给主机进行处理，实现程序化控制， 这样不但能够提高整机的自动化程度，还能为激光器驱动电源性能的提高和扩展 提高有利条件。目前国内已有选用5 1 单片机和t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片作为数字控制芯片的相关研究，但是这些研究大都是出于纯粹的理论可行性 分析，整个系统的具体实现没有太多的论述，对半导体电源的重要指标如电流纹 波、稳定度、控制精度等无法做出精确的分析和论证，同时在电源的数字化控制 和抗干扰方面也没有深入。 1 5 半导体激光器驱动技术 半导体激光器( s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ) 是利用半导体中的电子光跃迁引 起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称。 半导体激光器按激发方式可以分为激发、电子束激发和p n 结注入电流激发 三种类型。 半导体激光器拥有许多独特的特点，它的优点有很多，最主要的一些是它在 体积重量方面有极大的优势，同时又具有可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动 电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全等方面，同时它的所带 来的经济性远远超过了其它的激光器，半导体激光器拥有极高的性价比，所以是 激光器中应用最多的一种【l 。、 半导体激光器的应用广泛和得到的重视在它的驱动技术上也得到了体现，研 究半导体激光技术的越来越岁1 1 】。就现在应用的半导体激光器的驱动总的有三种 方式，它们分别是是：恒电流驱动，恒功率驱动和脉冲驱动。相比较而言，脉冲 6 第一章绪论 驱动研究的比较多，因为它在温度等方面的要求不是很高，其资料等也比较齐全， 其次是恒电流驱动。 恒电流驱动方式的利用了反馈来对电路进行调节，这种方式的优点是可以直 接提供驱动电流电平的有效控制，这种控制方式在电路上可以使得电流偏差达到 最低，同时提高了l d 的稳定性。如果能对l d 的温度也加以控制，那么电路的 效果会最好。 在恒定功率工作方式中要实现好的温度控制是很难的，因为在恒功率工作方 式下，电路的电流不是一直恒定的，是处在变化中的，所以要实现对温度的控制， 通常会采用连接一些外部探测器，或者是内装监视光电二极管，该二极管是与反 馈回路相连接的，这种连接可以很好的对驱动电流进行控制，从而实现对温度的 控制【1 2 。不过采用这种工作方式的缺点也是十分明显的，由于这种方式的温度难 以实现有效地控制，所以在应用的时候会造成激光器的温度漂移，从而使的激光 波长产生变化并出现了模式跳跃。 现在的很多激光器驱动都是脉冲输出的，脉冲输出的好处是只有极小的结发 热。低占空因子和短脉宽工作的l d 激光器允许的脉冲电流电平要高很多，比起 连续式的电流电平具有更多的电流电平，而且多数不需要散热。 而本文所研究的半导体激光器驱动电源采用的是恒电流驱动的方式来对半 导体激光器进行驱动。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1引言 第二章半导体激光器电源的结构和基本原理 大功率半导体激光器对激光器电源的要求很高，基本要求有： a 、半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作，注入电流的稳定性对激光器 的输出有直接的，明显的影响。因此，要求半导体激光电源是一个恒流源，应该 有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，否则激光器的工作状态会受到影响。 b 、半导体激光器作为一种结型器件，对电冲击的承受能力很差。因此，半 导体激光电源中必须有特殊的抗电冲击措施和保护电路。 c 、体积小，重量轻，可靠性和安全性好。 本文研究的半导体激光器电源，采用了两级变换器，前级称为预调节级，主 要用来进行功率因数校正和升压，后级称为功率调节级，主要将前级的恒压输出 变换为恒流限压输出模式。 为了达到上述目的，预调节级采用的是a p f cb o o s t 电路，功率调节级采用的 是双端正激变换器，通过高频变压器一方面可将输入与输出隔离，另一方面还可 进行电压、电流变换。下面就这两种电路的结构和基本原理进行分析。 2 2 功率因数校正电路 2 2 1功率因数 功率因数这个概念是出自于交流电路的基本原理，当正弦交流电源给感性或 者容性负载供电时，负载电流也是正弦曲线，但是该电流会比输入电压滞后或者 是超前一个确定的角度a 【1 3 】。如果用v i 表示输入电压，输入电流有效值为i i ，则电 网的视在功率为v i i i 。 、 实际传递到负载的功率只有v i i ic o s a ，这是因为与负载电阻的电压位于相同 相位区域的输入电流分量( i ic o s a ) 给负载发送功率，可是与负载电阻的电压成 9 0 度的输入电流分量( i ic o s a ) 并不向负载供给功率，该传递可以由在交流开始 8 第二章半导体激光器电源电路的结构和基本原理 进入的一段时间内，通过从输入电源中得到功率，并暂时储蓄在系统的感性负载 中可以清楚地看出，在随后的时间里，储蓄的能量会返回到输入电流和电源中。 这些不会将功率传递给负载的电流将会在内部网络内被耗尽，输入电流的线性电 阻上也会消磨功率能量。 在正弦波电源电路理论中，c o s a 就是功率因数。它的大小就是功率因数值， 在电路中，都希望持续功率因数使其越来越靠近1 ，也就是说，保证输入电网电 流为a c 波形并且和阵线电网电压具有同一个相位区域。得到这种结果的方法称 为功率因数校正。 2 2 2 功率因数校正技术意义 自上个世纪六十年代，大功率的电器用品逐渐走进人们的生活，不管是家庭 使用、工作使用，越来越多的大功率电器出现，大功率电器的出现致使了各种非 线性负载的加大，更多的谐波电流和谐波电压现身，从而使得电力系统波形的变 形越来越剧烈，电源网络受到非常的干扰，这种干扰会迫使用电质量受到伤害， 更大的是造成了用户用电的安全性保障，因为时代的前进，对电能质量的规范就 越发苛刻，这个时候，功率校正技术的产生受到了大家的注意，该技术的研发和 改进也成为了电力电子技术的一个重点【1 4 】。 一般说来，对电网干扰最重的是三次谐波，它带来的害处极严重，主要有以 下几点： a 谐波会对电网造成干扰，干扰波将会伤害到其它的用电设备，对测量仪表 等会致使其测量错误大，对电动机等会弄出极大的噪声； b 在输出功率已经确定的时候，输入电流的有效电流值增加一定会加大输入 熔断器、断路器和电源线的规范； c 输入电流在传输线上的损失电流增加； d 加大了前级设备的能量容量； e 如果电路采用的是三相四线供电，会致使中线电流过大，恐怖的会弄出火 灾事故。， 功率因数校正技术可以增加功率电路的功率因数，同时降低输入电流的谐波， 降低谐波对电网的扰乱、对于多设备的危害，而且功率因数校正技术可以大大增 加电路转化的效率。它的出现和研究是电力电子技术相当重要的一部分。下面将 9 电子科技大学硕士学位论文 介绍一下功率因数校正技术的发展情况。 2 2 3 功率因数校正技术的发展概况 1 、无源功率因数校正技术 为了极大的增加a c d c 变换器的输入端功率，人们一直在讨论各种电力电 子技术，早些时候，人们应用无功补偿技术。无功补偿技术可以增加功率因数， 减小损耗，提高稳定度，但是在该技术的使用中，很多的无功功率也会进入到电 网中，这将给出许多的不便【1 5 】。后来，电力电子技术的发展迅速，各种技术得到 改进，无源滤波技术被研究出来，并将其用在了实际电路中，得到大力发展。 无源功率校正技术的技术点就是在整流电路和滤波电容电容之间串联一个滤 波电感。无源功率因数校正电路的一般原理图如2 - 1 图所示。 ；d 1 奄3 l z f 一 ：c j b 2h 图2 i 典型无源因数校正电路 不过实际电路中一般采用的是将电感放在整流电路的前面，如图2 2 所示， 这种改变后的无源功率因数校正电路中的电感不会有直流电流在，这样电感铁芯 就不会出现饱和状况。 一，2 b 3 p = c 2 zs d 4 图2 - 2 改进型无源因数校正电路 无源功率因数校正应用到电路的办法是相当简单可靠，电路不需要进行控制， 该电路能够让输入电流中所有谐波与基波的比例达到3 0 以下，输入电流中所有 1 0 第二章半导体激光器电源电路的结构和基本原理 的谐波含量及在3 、5 、7 等奇次谐波都可以被极大的控制，功率因数是能够增大 到相当程度上的。在电路中应用了串联电感来实现补偿的方法，会使电路成本得 到减少1 1 6 1 。在无源功率因数校正电路中的电感l 是校正电路拓扑结构最重要的一 部分，选取适合电路的电感值的大小，对于系统功率因数的校正是相当好的。如 果电感l 的值越高，那么高次谐波的存在就越低，则电流波形就会接近于正弦波， 但是当电压相位差值越高时，则只有选取合适的电感l 的值，才可以让校正效果 达到最好的状态。 无源功率因数校正电路的缺点是无源元件升高了，电路的体积都出现很大的 情况，体积也会比较重，电路校正后的功率因数并不会达到很高，而且系统的发 热量极高，会由工频振动和噪声出现，因此次比较合用于功率小于3 0 0 w 的电路， 小功率的电路对体积、重量都没有多大的限制、价格也不会特别贵。 2 、有源功率因数校正技术 上世纪8 0 年代，电力电子器发展相当快速，这个时候，有源因数校正技术被 研究出来，并开始得到应用，这一阶段对于该技术的工作主要在于针对升压功率 因数校正变换电路上，同时对电路的控制模式，连续导电模式和不连续导电模式 的理论进行研究。 9 0 年代以来，功率校正因数技术真正取得了非常大的发展，各种各样的新型 的拓补结构被提出和得到应用，同时各种控制方法和控制芯片也大量的出现，p f c 技术终于从理论走向了实际应用。 有源功率因数校t ( a p f c ) 对于抑制电流谐波，增加功率因数是最有用的方 法，其原理框图如2 3 所示1 1 7 j 。 主电路的输出电压v 0 的检测值和基准电压比较后，输入给电压误差放大器， 整流电压检测值和电压误差放大器输出电压信号共同加到乘法器的输入端，乘法 器的输出作为电流反馈控制的基准信号，与电流检测值比较后经过电流误差放大 器加到驱动器，以控制开关的通断，从而使输入电流的波形与整流电压的波形基 本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 3 有源因数校正电路原理图 受 援 有源功率因数校正型的开关电路主要是应用全控型的开关器件来组成。应用 这种电路的开关电源可以让总的电路谐波含量减小到5 及其以下，同时可以让 功率因数达到o 9 9 以上，效率非常的好，而且也能够将开关电源的输入电压的宽 度增加成为9 0 2 6 4v 的包含整个输入区域的电压，除此之外其电路还具有电路稳 定性极好、振动和噪声很小等优点【1 8 】。有源功率因数校正技术的应用能够非常有 效率地减小电路中的谐波含量、增加功率因数，最大条件上的达到了现在所规范 的最严格的谐波标准。但是这种电路和它的控制方式都非常的复杂，因此电路的 成本大，同时开关器件的高速开断也使得电路开关损耗严重，电路的效率会略低 于无源功率因数校正电路，因此，有源功率因数校正比较常采用在电路的功率较 大的场合。 2 2 4 升压式有源功率因数校正 1 、有源功率校正分类 有源功率因数校正电路所采用的方法是：输入交流电压首先进入整流电路全 波整流，之后对整流后的直流电压进行直流直流变换，采用恰当的控制可以让输 、入电流平均值自动跟着全波整流后的电压波形，让输入电流实现正弦化，它也是 属于开关电源，但与以前的开关电源有很大的不同，时常用到的功率数校正器的 基本电路有b u c k ( 降压式) 、b o o s t ( 升压式) 、f l y b a c k ( 反激式) 、b o o s t b u c k ( 升降压 式) 变换器。各种p f c 的特点如下： 1 2 第二章半导体激光器电源电路的结构和基本原理 b u c k 型p f c 噪声( 纹波) 大，不容易滤波，开关管上承受的电压应力大，输出电压和输入 电压在极性上是相反的，同时，输出电压时小于输入电压的，整个电路在实际中 采用较少。 f l y b a c k 型p f c 该变换器的输出和输入之间是隔离的，电路的输出电压可随便选择，是极简 单的电压型控制器，一般是应用于1 5 0w 以下的电源或镇流器。 b o o s t b u c k 型p f c 这种电路是升压和降压电路的结合，电路采用了两个电子开关，但是在驱动 上则是采取一个开关来进行控制，它的实际的应用电路比较复杂，考量的东西也 比较多，因此在现实用的较少。 b o o s t 型p f c 电路的控制方式是电流型，电流型的电路在控制上都是相对简单的，同时， b o o s t 型的电路的功率因数值非常的高，总谐波几乎没有失真状况，效率高， 一般而言7 5 2 0 0 0w 功率电源都极适合，是应用最为广泛的p f c 拓补。这种电路 还有一个显著的特点就是，输出电压比输入电压大 就电路上而言，d c d c 变换器的拓扑结构自然是可以任意的选择的，不管 是哪种形式的基本电路都可以被用作p f c 的主电路。可是，在应用的时候，可以 看出b o o s t 变换器的优点是最突出的，因此，在实际的选用的时候，该电路是应 用的最多的，在功率因数校正中的应用更为广泛。 2 、升压式有源功率因数校正控制方法 根据p f c 电路输入