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高效率双模不对称加热制冷半导体激光温控电源设计

由于光电技术发展迅速,半导体激光器在国防、科研、医疗、工业加工等多个领域都已具有十分广泛的应用,但要获得良好的激光性能输出,需要采用半导体激光温控电源驱动TEC对其进行精密温控,原因在于半导体激光器的输出功率稳定性、中心波长等主要性能指标都与工作温度息息相关[1-3]。
目前的半导体激光温控电源(简称温控电源)中,多采用单模(单制冷模式)制冷非线性Buck降压温控电路和双模(加热和制冷双模式)线性H桥温控电路,前者转换效率较高由于其利用激光器发热和TEC制冷达到平衡控温,导致温控精度不足,且在激光器温度降低时温控电源无法对加热;后者温控精度较高且具有加热和制冷双模式,环境适应性好,但换流效率较低,电路具有对称性输出,不匹配激光器自身发热导致的制冷加热不对称热负载特性,因此无法满足中大功率激光器的技术要求[4-7]。
单模非线性Buck降压温控电源原理图
通过研究非线性Buck降压温控电路和非线性Buck-Boost换向电路,增加功能切换开关,设计了一种高效率双模不对称加热制冷温控电源,该电源可高效率自动切换到正向驱动TEC加热模式或反向驱动TEC制冷模式,且利用了Buck和Buck-Boost的传递函数不对称特性,使得温控电源在同等输入电源电压的情况下,输出较小幅值的加热功率和较大功率的制冷功率,使得输入能源得到充分利用。详细分析了所设计的高效率双模不对称加热制冷温控电源的工作原理和自动切换机理,并在Saber环境下对该换流拓扑进行了仿真验证。
 双模线性H桥温控电源原理图
传统温控电路的工作原理分析
单模非线性Buck降压温控电路的基本原理是采用Buck开关换流拓扑(图1),根据温度信号变化,输出电功率驱动TEC,TEC在电功率的驱动下具有将热量从冷面抽运到热面的特性,从而将激光器发热量抽运到散热器上。当TEC抽运热量与激光器发热量达成动态平衡时,激光器的温度就保持在恒定设定值上,由于控制精度与激光器发热量关联性强,而激光器发热量是动态变化的,因此温控精度和稳定性不佳,且在低温环境下启动时,激光器温度较低,只能靠自身发热加热到设定温度,对于小功率激光器而言,很难自行调整到设定温度上[8-11]。
Buck换流拓扑原理图
双模线性H桥温控电路的工作原理是利用TEC制冷片通电时一面制冷的同时另一面发热的特点,采用H桥功率管交替导通切换通过TEC的电流方向,从而选择加热或制冷模式,进行控制目标温度(图2)[12-15]。双模线性H桥换流拓扑温控精度较高,但线性H桥换流拓扑转换效率很低,只能输出较小的制冷量和加热量,对于中大功率激光器而言,其温控功率无法满足要求。
 Buck换流拓扑传递函数与占空比关系图
高效率双模不对称加热制冷半导体激光温控电源的设计
基于开关换流拓扑转换效率高的特点,以及需要双模温控电源能够双向切换输出电流方向的要求,本文选择对Buck换流拓扑和Buck-Boost换流拓扑进行了分析。Buck换流拓扑可以实现正向输出电压电流的转换,Buck-Boost换流拓扑反向输出电压电流的转换,结合二者的优点,通过电路的改进,可得到自动切换双模的高效率温控电路。
 
Saber中的温控电路仿真验证
基于Saber对非线性开关电路的仿真计算有较好的贴合优势,采用该软件对所设计的温控电路进行原理仿真,在Saber软件中设仿真电路输入电压直流20V,输出滤波电感10μH,输出滤波电容500μF,并采用固定频率10K,占空比根据各仿真工况设定,按图7建立仿真原理图。
 
结论
根据单模(单制冷模式)制冷非线性Buck降压温控电路和双模(加热和制冷双模式)线性H桥温控电路的不足,通过对非线性Buck降压温控电路和非线性Buck-Boost换流电路的分析,结合二者优点,设计了一种高效率双模不对称加热制冷半导体激光温控电源。
在Saber软件中仿真验证了该电源电路可自动切换加热模式和制冷模式,进一步的仿真表明,该电路在PWM占空比大于50%的情况下可实现不对称加热制冷输出,从而满足大功率半导体激光器对制冷功率高于加热功率的需求。
 
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