二極管激光器對(duì)它的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。為了保證半導(dǎo)體激光器正常工作,需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。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(shí),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24V,輸出最大電流為20A,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(yàn)中選用通態(tài)電阻很低的M0SFET。電感、電容組成濾波電路。測(cè)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(shí),可得:
電流紋波為:
二極管消耗的功率為P=VtdI0。一般快恢復(fù)二極管壓降0.4V,當(dāng)電流20A時(shí),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(shí)驗(yàn)采用威世半導(dǎo)體公司的60A的MOSFET,其導(dǎo)通等效電阻為0.0022Ω。當(dāng)電流為20A時(shí),消耗功率約為0.088W?!?br /> [page]
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(shí)驗(yàn)中采用200kHz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2V時(shí)紋波電流約為1000mA。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(shí),減小ton寬度,電壓降低。電流略小于給定電流時(shí),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)。
圖3中,R1,R2為電壓測(cè)量電阻,Rc為電流測(cè)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為輸入電壓12V,輸出電壓2V左右,測(cè)量電阻0.0025Ω,最大輸出電流20A。
實(shí)驗(yàn)中用50A的2個(gè)二極管串聯(lián)作為負(fù)載,輸入電壓12V時(shí),不同電流下輸出及效率如表1所示。
相關(guān)閱讀:
激光二極管,什么是激光二極管
第一講:LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的考慮要素及通用要求
第二講:基于IGBT的高能效電源設(shè)計(jì)