（电力电子与电力传动专业论文）激光用低纹波开关电源研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rt e c h n o l o g yi so n eo ft h ef o u rg r e a ti n v e n t i o n si n2 0 t hc e n t u r y i tg i v e st h e t r a d i t i o n a lo p t i c a ls c i e n c ean e wl i r ea n dl c a d san e wi n d u s t r yr i s e i th a sab r o a d a p p l i c a t i o ni nv a r i o u sa r e a so ft h en a t i o n a le c o n o m yn o w t h i sp a p e rp a y sa t t e n t i o n t ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no fl a s e rd i o d ed r i v e r 1 1 1 ed e s i g np r o c e s so ft r a d i t i o n a l l a s e r sw i l lb ei n t r o d u c e d a n dt h i sp a p e rw i l la n a l y z ea n dd i s c u s st h ep o w e r c o n v e r t e rw h i c hi sa b l et ob eu s e da sl a s e r sd r i v e r b e c a u s eo ft h el a s e rw i t hh i g hb r i g h t n e s s ，b e t t e ri nd i r e c t i o n ，c o l o ra n dc o h e r e n c e ， i ti sw i d e l yu s e d f i r s to fa l l ，t h eb a c k g r o u n d so nt h ea p p l i c a t i o no fl a s e rd i o d ea r e i n t r o d u c e d a n dt h ec h a r a c t e ro fl a s e rd i o d ea n di t sr e q u i r e m e n tf o rt h ed r i v e r sa r e s h o w n u p o nr e v i e wo ft h el i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，d e t a i la n a l y z e df o rt h e s t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so fe x i s t i n gp r o g r a m sw i l lb eg i v e n c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to fs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yt ot h es y s t e m ，t h el a s e r d r i v e ri su s e do fl i n e a rp o w e rs u p p l yu s u a l l y b u tt h el o we f f i c i e n c yo fl i n e a rp o w e r w i l ll e a dt oi n c r e a s et h es i z ea n dw e i g h to ft h es y s t e m ，w h i c hw i l la f f e c tt os o m e p o r t a b l ea p p l i c a t i o na n da l s om a k ee n e r g yw a s t ef o re x t e n s i v eu s eo fl a s e r s i n c h a p t e ri i ，t h er e a s o n sf o rt h ef o r m a t i o no ft h er i p p l ea n d t h ew a y st or e m o v ew i l l b ei n t r o d u c e d a n dt h ed i r e c t i o na n dd i f f i c u l ti nr e s e a r c h i n gp o w e rs u p p l yf o rl a s e r d r i v e rw i l lb ed i s c u s s e d i nc h a p t e ri i i ，t h ew a yt od e s i g nt r a d i t i o n a ll a s e rd r i v e rw i l lb ei n t r o d u c e d a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i l lb es h o w ni nt h i sp a r t d e t a i la n a l y z e sf o r t h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s w i l lb eg i v e n i nc h a p t e ri v , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o n so fc o u p l e di n d u c t o r si np o w e rs u p p l y t or e d u c er i p p l e ，a n dt h ep r i n c i p l e si sg i v e n a ni n p u ta n do u t p u tr i p p l ef r e ec o n v e r t e rw i t h af o u r - w i n d i n gc o u p l e di n d u c t o rw i l lb ei n t r o d u c e d 1 1 1 i sp a r tw i l la n a l y z et h e i n f l u e n c ea n dr o l eo fc o u p l e di n d u c t o ri nr i p p l ec a n c e l l a t i o na n ds y s t e md y n a m i c s i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r to fl i n e a rp o w e r , i nc h a p t e rvat w oc u r r e n tq u a d r a n t c o n v e r t e rw i t hl o wc u r r e n tr i p p l eb yu s i n gc o u p l e di n d u c t o ri sp r o p o s e d d e t a i lt h e o r e t i c a l a n a l y z e sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e ni nt h i sc h a p t e r t h i sw o r ki ss p o n s o r e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n n i n gp r o j e c to fz h e j i a n g p r o v i n c e ，c h i n a p r o j e c tn o ：2 0 0 9 c 3 10 0 5 b a s et h e o r e t i c a ls t u d ya n daf e a s i b i l i t y s c h e m ea r e t h ep r i m a r yw o r ko ft h i sp a p e r i ti st h eb a s eo ft h i sp r o j e c t k e yw o r k ：l a s e rd i o d e ，l o wr i p p l e ，c o n s t a n t - c u r r e n ts o u r c e ，i n t e r l e a v e ，c o u p l e d i n d u c t o r i l l 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。除了文中特另u d i ：i 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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 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。 学位做储躲掰卣签知期：螂年夕月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝望盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名：现飘 导师签名： 签字日期：州。年乡月( 日签字日期：2 。，- 年弓月9 日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 所选课题及应用背景 激光的英文词“l a s e r ”，来自五个英文单词的首字母，即：光( l i g h t ) 、大 ( a m p l i f i c a t i o n ) 、受激( s t i m u l a t i o n ) 、发射( e m i s s i o n ) 和辐射( r a d i a t i o n ) ，这反映了 激光的物理本质，即受激辐射产生的光放大。“激光”的中文名是由我国著名科 学家钱学森教授建议，经原中国科学院技术科学部讨论，于1 9 6 4 年底正式确定 的n 1 。 激光技术与原子能、半导体以及计算机技术被视为二十世纪的四大发明。世 界上第一台激光器由美国人梅曼( t h m a i m a n ) 于1 9 6 0 年研制成功。从此，激光 技术飞速发展，已深入到国民经济和国防建设的各个领域，例如：远距离通讯， 激光测距，激光雷达，机器人，工业切割，医学诊断等拉捌。 其中半导体激光器有着体积小、重量轻、转换效率高、能直接调制，另外其 制造工艺与半导体电子器件以及集成电路的生产工艺兼容，便于和其他器件实现 单片光电子集成。半导体激光器成为光电子行业发展最快的领域之一。半导体激 光器的出现使光纤通讯成为现实，使得光盘为主体的信息存储技术不断进步；同 时随着激光器的输出功率和相干性不断提高、新材料和结构的不断改进，半导体 激光器正在占领过去由气体和固体激光器所占据的一些应用领域。它的一些独特 优点更是非常适合军事领域上的应用，如：测距、制导、致盲等是光电对抗中的 有生力量。半导体激光器的另一特点是具有极广范围的波段输出( 从紫外到近红 外) ，有着易操作，易维护，可靠性高等优点，很适合应用于医疗领域。随着激 光器阵列的研究，半导体激光器在提高输出功率上又取得了巨大的突破，这将大 大的推动半导体激光器在更多领域中的应用h 。 半导体激光器是靠载流子直接注入工作的，所以注入电流的稳定性对激光器 的输出有直接、明显的影响。激光器电源是一个恒流源，并且需要具有很高的电 流稳定度和很小的纹波系数，否则激光器和工作状态就会受到一定的影响哺一。 另外，在实际应用中，经常要求激光器的电流调节范围从零开始。这对于一般的 开关电源来说都无法实现。因此现有的产品都使用线性电源作为驱动器的最后输 出的调节电路盯引。线性电源结构简单，输出电流纹波小，可实现从零连续调节 的要求。但是其最大的问题是效率很低，需要设计较大的散热器。这严重的增加 了电路的体积和重量，且影响到整个系统的功率等级。同时，激光二极管的许多 参数与二极管的结温有密切的关系。激光器的工作温度对其工作特性有非常大的 影响叫，系统效率低下，发热严重的话，对激光器的正常工作也会带来影响。 开关电源驱动器能大大提高系统的效率，有利于减小系统体积重量，提升系 统整体性能。高效率有利于系统的长期运行。在现有的产品中，只有大功率的激 光器应用b u c k 为驱动电路n 们。但是，这只是由于该类激光器阀值电流比较大， 不要求驱动器的输出电流从零开始调节。而这实际上激光器不发光的情况下也消 浙江大学硕士学位论文 耗了较大的功率，也就是待机损耗较大。由此设计一个能从零开始调节，效率较 高的驱动电路对激光器电源系统具有较大的意义。 1 2 半导体激光器的发展及其工作原理 与晶体二极管一样，半导体激光器也以p n 结特性为基础，因此，半导体激 光器也常被称为二极管激光器或激光二极管。其体积非常小，最小的只有米粒般 大小，工作波长一般为0 6 1 5 5 微米。 2 0 世纪6 0 年代初，半导体激光器为同质结型激光器，它只能在一定的条件 下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。半导体激光器发展 的第二阶段是异质结构，它由两种不同带隙的半导体材料组成，但单异质结激光 器仍不能在室温下连续工作。直到1 9 7 0 年，能在室温下连续工作的双异质结半 导体激光器( d 皿) 才终于诞生。 2 0 世纪7 0 年代末开始，半导体激光器朝着两个方向飞速发展。一是以传递 信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为主的功率型激光器。到 9 0 年代，激光器技术取得突破性进展，其标志是激光器的输出功率显著增加， 国外千瓦级的激光器已经商品化，国内器件的输出功率也达到了6 0 0 w 以上。半 导体激光器已广泛应用于国民生产中的各个领域。 半导体激光器的基本工作原理是基于电磁辐射与半导体( 内部载流子) 的相 互作用。半导体中的电子与光子间的相互作用有三个基本过程：受激吸收、自发 发射和受激发射。半导体激光器产生激光必须满足三个基本条件b 1 2 1 羽： 1 粒子数反转。这是必要条件。在半导体中，代表电子能量的是由一些列接近 于连续的能级所组成的能带。粒子数反转意味着处于高能态的粒子数多于低 能态的粒子数。一旦半导体中实现了粒子数反转就具有正增益，也就具有了 对内部和外部光子进行谐振放大的能力。 2 谐振腔。要获得相干受激辐射，则需要使受激辐射在谐振腔内得到多次反馈 而形成激光振荡。在半导体p n 级两端存在两个相互平行的光滑表面，形成 谐振腔，能对内部电子跃迁不断增强，使光强不断加大。 3 阀值条件：这是充分条件。当粒子数反转达到一定的程度，其产生的增益要 大于内部损耗和输出损耗。 可见在半导体激光器的工作过程中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发 射放大的过程。目前公认半导体激光器发展的根本动力是量子阱。另外，这种受 激辐射是从半导体导带的一个能级到更低状态的跃迁，而只有导带中的电子参与 这种过程，可见这是单极性器件。 半导体激光器的等效电路及其参数与器件的结构有一定关系。如结面积的大 小，内引线与芯片的联接方式等会影响分布参数的大小。一般说来，半导体激光 器的等效电路为一个r l c 电路，如下图 1 4 o 浙江大学硕士学位论文 图1 1 激光器等效模型 图中，c 。和r 。分别是半导体激光器的寄生电容( 一般小于l p f ) 和串联电 阻( 一般小于1 欧姆) ，l 。为引线电感( 一般在l n h 到2 n h 之间) ，c p 为旁路电 容( 一般为0 3 p f 到l p f ) 。 1 3 半导体激光器对驱动器的基本要求n 5 ，1 6 3 1 3 1 对驱动电流的要求 半导体激光器是靠载流子直接注入工作的，所以注入电流的稳定性对激光器 的输出有直接、明显的影响，如下图所示。激光器电源是一个恒流源，并且需要 具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，否则激光器和工作状态就会受到一定 的影响。 ( w j 图1 2 半导体激光器电流与电压、输出光功率关系特性曲线 激光器电流源一般有两种方式工作：一种是恒定电流工作方式，一种是恒定 光功率工作方式。恒流工作时：通过电学反馈控制电路，直接提供驱动电流电平 的有效控制，由此获得较低的电流偏差和较高的激光器输出稳定性。辅以有效的 温度控制系统，会有更好的效果。在恒定光功率的工作方式中，需要采用光电探 测器监控输出光功率，并反馈给供电系统中来进行实时调节注入l d 的电流，使 输出光功率稳定不变。 1 3 2 对工作温度的要求 激光二极管的许多参数与二极管的结温有密切的关系。激光器的工作温度对 其工作特性有非常大的影响。激光器在不同温度下的激光输出功率与正向驱动电 流的关系曲线如图1 3 所示： 浙江大学硕士学位论文 6 差4 2 02 04 06 08 0 i a k 图1 3 输出光功率与驱动电流的关系 由图可知： 在相同温度下，当输入电流较小时，输出功率约为零，而当超过其电流 阀值时，输出功率随电流的增长直线上升。 阀值电流随温度的升高而升高，曲线基本上随温度的变化而平移。 当激光器在恒流模式下工作时，环境温度发生变化时，激光器输出功率的变 化也将很大。 1 3 3 安全性要求 目前国内激光器损坏的主要原因是腔面污染和浪涌击穿。前者可以通过环境 净化来解决，后者则需要依靠电路设计来避免。需要有缓起动和缓关断的功能。 1 4 国内外研究现状与发展趋势刚l 剐9 , 2 0 , 孔捌 对半导体激光器的研究我国起步较晚，对其电源的研究上也大多继承国外 成熟的理论。国内主要的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。 对半导体激光器注入电流的控制是研究半导体激光器输出功率控制技术最 基础也是最原始的方法，大多数半导体激光器驱动电路都是根据这一原理来研制 的。 在现有的产品中，为了满足以上的激光器对电流注入的要求，都使用线性电 源作为输出电流调节。线性电源的优点是：线路简单，功率器件工作在线性区不 会有开关纹波干扰，输出纹波小，输出电流大小容易调节，并能实现从零开始调 节。在原有的应用中，半导体激光器的功率不大，应用线性电源作为半导体激光 器的驱动电源没有太大的问题。因此在实际应用和现有的文献中多使用线性电源 作为输出调节级，如下图他3 2 屯2 5 2 6 】。 4 浙江大学硕士学位论文 图1 4 线性电源电路 国外对半导体激光器驱动的研究已经取得了不错的成果。德、英、日等国家 的半导体驱动电源研制技术已经比较成熟，明显高于国内的研究水平。其主要技 术集中在：电路集成化，半导体激光器恒功率控制，通过采集分析输出激光对驱 动电源进行反馈控制，激光器的光热调制等方面b 1 。 综合比较，国内的激光器电源及其温度控制系统都与国外产品存在着较大差 异。国外的激光器驱动电源电流纹波小，稳定度高( 、 ( l - 1 一 i )( l l i m 】 图4 3 耦合电感结构图 o 一一j 图4 4 电气模型 v 2 此时由法拉第电磁感应定律可得原边的电压为：k = l 警= k 鲁。耦合电 感中的磁化电流为原边电流i l 和副边耦合电流( m 2 ) 之之和。值得一提的是， 对于变压器来说，励磁电感l m 是磁芯存储能量的模型，而对于耦合电感，l m 表 征的是气隙存储能量的模型。 对于具有漏感的电感模型如下所示：其中，l 。l 和l e 2 为漏感，并假设v l = v 2 。 浙江大学硕士学位论文 由此可知： 矿lm - - z + m i ，k 而副边电压为： 当取： 图4 5 有漏感的电气模型 v 2 ( 4 4 ) 圪：等巧：等 k ( 4 5 ) 。 l 1 l 厶l + k 1 v 7 2 一丘，+ 乙= = = = lk ( 4 6 ) 此时：圪= k = 匕 ( 4 7 ) 由此，副边漏感l e 2 上就没有压差，也就是说l e 2 上没有纹波。这就是所谓的 零纹波的情况。但由于原边漏感的存在，原边的纹波也会耦合到副边上。另外， 由于制程上的原因；同时等= 互i 的情况也不可能做到。因此，实际上是 无法达到真正的零纹波的。因此在实际的应用中，为了减少v 2 和v 2 之间的电流 脉动，可以通过增大l c 2 的方法来实现。也就是说，增大漏感有利于减少耦合电 感上的电流纹波。 4 2 应用耦合电感的一种低纹波电路 4 2 1 前言 直流降压电路有着广泛的应用，如v r m ，l e d 驱动以及太阳能系统等h 5 舢盯1 。 在传统的d c d c 电路中，b u c k 电路以其简单的电路拓扑和控制，成为最常用的 降压电路。但是由于b u c k 电路输入端为脉冲式的不连续电流，所以需要设置一 定的l c 滤波电路来减少电流脉冲和由此引起的较严重的e m i 问题。而这一滤波 器会增大变流器的体积，同时会带来稳定性的问题h 8 4 9 1 。 文献 5 0 ，5 1 ，5 2 1 提出了一种低纹波的降压变流器拓扑结构。这一拓扑结构属 于c u k 族变流器，有低输入纹波和低输出纹波的特点，可应用于电池均衡、功 率因数校正( p f c ) 以及空间电源等这些对于输入和输出特性均有较高要求的场 合陆3 f 她删。尤其是在空间电源和机器人电源等应用场合，电池组为整个系统的唯 浙江大学硕士学位论文 一供电电源，后级的d c d c 变流器如果有较低的输入纹波则有利于延长电池的 使用寿命，同时也有利于保持电池输出电压的稳定，减少对其他系统的影响。 另外，降低纹波、提高动态响应速度是d c d c 变流器的设计基本目标。稳 态工作时，较小的纹波有利于减少开关管和滤波电容上的损耗。在传统的应用中， 通常通过加大电感来减少电路中的电流纹波，但是，较大的电感会降低电路中电 流的变化速度，也就减慢了系统的动态响应呻1 。 本章介绍一种新颖的交错并联降压变流器拓