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半導體激光管(LD)的電源系統設計

鉅大LARGE  |  點擊量:993次  |  2020年06月16日  

半導體激光管(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定。二極管激光器對它的驅動電源有十分嚴格的要求;輸出的直流電流要高、電流穩定及低紋波系數、高功率因數等。隨著激光器的輸出功率不斷加大,要高性能大電流的穩流電源來驅動。為了保證半導體激光器正常工作,要對其驅動電源進行合理設計。并且隨著高頻、低開關阻抗的MOSFET技術的發展,采用以MOSFET為核心的開關電源出現,開關電源在輸出大電流時,紋波過大的問題得到了解決。1系統構成裝置輸入電壓為24V,輸出最大電流為20A,根據串聯激光管的數量輸出不同電壓。假如采用交流供電,前端應該采用AC/DC作相應的變換。該裝置重要部分為同步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導通寬度決定輸出電壓大小,快恢復二極管和VM2共同續流電路,整流管的導通損耗占據最重要的部分,因此它的選擇至關重要,試驗中選用通態電阻很低的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,通過脈沖發生器出現相應的脈寬,保持負載電流穩定。VM1關斷,快恢復二極管工作,快恢復二極管通態損耗大,VM2接著開通續流,減少系統損耗。2工作原理VM1導通ton時,可得:,電流紋波為:,VM1關斷,電流通過VD續流,接著VN2導通。由于VM2的阻抗遠小于二極管阻抗,因此通過VM2續流。VMl、VN2觸發脈沖如圖2所示。圖2中td為續流二極管導通時間。


二極管消耗的功率為p=VtdI0。一般快恢復二極管壓降0.4V,當電流20A時,二極管消耗功率為0.8W。如采用MOSFET,則消耗的功率將小很多。本實驗采用威世半導體公司的60A的MOSFET,其導通等效電阻為0.0022Ω。當電流為20A時,消耗功率約為0.088W。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200kHz的工作頻率,其中電感選用4.8-H,根據公式可得激光管壓降2V時紋波電流約為1000mA。系統采用了電流負反饋電路,以適應激光二極管的要求。當負載變化,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,新增ton寬度,這樣可以維持電流穩定。圖3所示為脈沖發生器結構。


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