大功率半导体激光泵浦固体激光器脉冲电源设计
半导体激光器主要由半导体材料中的Ｐ－Ｎ结构成，是利用注入的电子转换成光子的理想光子源器件，具有体积小、重量轻，可直接利用输入电流调制激光输出等优点，使其在通信、医疗、军事、工业等领域的应用广泛。目前对半导体激光器的功率需求越来越大，因此亟需对大功率半导体激光器的脉冲驱动电源进行研究［１－３］。国外对大功率半导体激光器脉冲电源研究较早，查到指标较高的有Ｇｒｕｍｍａｎ公司生产的ＥＤ４Ｐ－ＡＸＡ系列：最大输出电压３５０Ｖ、电流３００Ａ、脉宽１～５０ｍｓ、重复频率１０Ｈｚ～１００ｋＨｚ。据报道，国内指标较高的是输出电压最大３００Ｖ、电流１２００Ａ、脉宽２００～１０００μｓ、重复频率１～２０Ｈｚ。本文研究的脉冲电源输出电流１００Ａ以内，脉宽５０～２５０μｓ，最大重复频率１００Ｈｚ，输出电压４００Ｖ内灵活可调。
半导体激光器脉冲电源
根据半导体激光器的工作特性及要求，本文设计了大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其原理框图如图１所示。图１所描述的脉冲电源系统主要由直流电源及充电单元、储能电容、脉冲电流产生单元、ＤＳＰ控制驱动单元和负载等部分组成。直流电源及充电单元为脉冲电流产生单元和负载提供能量，并且保证充电期间能够达到储能电容电压的预设值；脉冲电流产生单元通过脉冲控制环节输出平滑稳定的脉冲电流；ＤＳＰ控制驱动单元包括ＴＭＳ３２０Ｆ２８０３５数字芯片、电流采样电路、电压采样电路、模拟控制电路和驱动电路，用于控制ＬＣＣ谐振变换器实现储能电容的充电和控制脉冲电流产生电路输出负载所需的脉冲电流。 
储能电容充电单元
充电单元采用ＬＣＣ谐振变换器拓扑，如图２所示。ＬＣＣ谐振变换器在谐振电流断续模式（ＤＣＭ）下能够实现软开关和恒流输出，工作于ＤＣＭ模式下又存在输出电流单脉冲和输出电流双脉冲两种工作模式。在双脉冲工作模式下，输出电压上升过程中谐振电流峰值变化小，具有良好的调频调压特性和较小的电流应力［４－５］，因此设计ＬＣＣ谐振变换器工作在ＤＣＭ双脉冲模式。 
脉冲电流产生单元
脉冲驱动电路是指在脉冲信号的驱动下，驱动电路输出具有确定幅值、脉宽的恒流脉冲，且幅值与脉宽可通过输入脉冲信号的参数来进行调节［７－８］。本文要求的脉冲电流波形：上升沿迅速且平滑稳定无过冲、脉冲持续期间保持稳定、下降沿迅速且无反向电流［９－１０］。因此，选择工作在线性放大状态的ＭＯＳＦＥＴ作为开关器件来控制脉冲电流产生单元的脉冲波形［１１－１３］。通过控制ＭＯＳＦＥＴ的栅极驱动电压来实现控制ＭＯＳＦＥＴ的漏极电流ｉＤ的波形（即流过激光二极管阵列的负载电流ｉＬ的波形）。如果脉冲电流指令信号采用阶跃脉冲信号，经过ＰＩＤ调节器控制后，容易引起脉冲电流在快速上升或下降期间出现过冲和振荡，因此，在脉冲电流指令信号前增加了给定积分器环节。半导体激光器脉冲放电单元框图如图４所示。
本文论述了一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源的设计方法，前级采用ＬＣＣ谐振变换器给储能电容恒流充电，为后级脉冲电流产生单元提供一个稳定可靠的直流电源环境；后级采用工作在饱和区的大功率ＭＯＳ－ＦＥＴ作为功率器件，并且加入给定积分器环节，控制后级脉冲电流产生单元，输出平滑稳定无过冲的脉冲电流，提供给半导体激光器负载。最后完成了脉冲电压３５０Ｖ、脉冲电流８０Ａ的实验，实验结果验证了本文脉冲电源系统设计的可行性和有效性。
根据半导体激光器的工作特性及要求，本文设计了大功率半导体激光器脉冲驱动电源，其原理框图如图１所示。图１所描述的脉冲电源系统主要由直流电源及充电单元、储能电容、脉冲电流产生单元、ＤＳＰ控制驱动单元和负载等部分组成。直流电源及充电单元为脉冲电流产生单元和负载提供能量，并且保证充电期间能够达到储能电容电压的预设值；脉冲电流产生单元通过脉冲控制环节输出平滑稳定的脉冲电流；ＤＳＰ控制驱动单元包括ＴＭＳ３２０Ｆ２８０３５数字芯片、电流采样电路、电压采样电路、模拟控制电路和驱动电路，用于控制ＬＣＣ谐振变换器实现储能电容的充电和控制脉冲电流产生电路输出负载所需的脉冲电流。
充电单元采用ＬＣＣ谐振变换器拓扑，如图２所示。ＬＣＣ谐振变换器在谐振电流断续模式（ＤＣＭ）下能够实现软开关和恒流输出，工作于ＤＣＭ模式下又存在输出电流单脉冲和输出电流双脉冲两种工作模式。在双脉冲工作模式下，输出电压上升过程中谐振电流峰值变化小，具有良好的调频调压特性和较小的电流应力［４－５］，因此设计ＬＣＣ谐振变换器工作在ＤＣＭ双脉冲模式。
脉冲驱动电路是指在脉冲信号的驱动下，驱动电路输出具有确定幅值、脉宽的恒流脉冲，且幅值与脉宽可通过输入脉冲信号的参数来进行调节［７－８］。本文要求的脉冲电流波形：上升沿迅速且平滑稳定无过冲、脉冲持续期间保持稳定、下降沿迅速且无反向电流［９－１０］。因此，选择工作在线性放大状态的ＭＯＳＦＥＴ作为开关器件来控制脉冲电流产生单元的脉冲波形［１１－１３］。通过控制ＭＯＳＦＥＴ的栅极驱动电压来实现控制ＭＯＳＦＥＴ的漏极电流ｉＤ的波形（即流过激光二极管阵列的负载电流ｉＬ的波形）。如果脉冲电流指令信号采用阶跃脉冲信号，经过ＰＩＤ调节器控制后，容易引起脉冲电流在快速上升或下降期间出现过冲和振荡，因此，在脉冲电流指令信号前增加了给定积分器环节。半导体激光器脉冲放电单元框图如图４所示。
本文论述了一种大功率半导体激光器脉冲驱动电源的设计方法，前级采用ＬＣＣ谐振变换器给储能电容恒流充电，为后级脉冲电流产生单元提供一个稳定可靠的直流电源环境；后级采用工作在饱和区的大功率ＭＯＳ－ＦＥＴ作为功率器件，并且加入给定积分器环节，控制后级脉冲电流产生单元，输出平滑稳定无过冲的脉冲电流，提供给半导体激光器负载。最后完成了脉冲电压３５０Ｖ、脉冲电流８０Ａ的实验，实验结果验证了本文脉冲电源系统设计的可行性和有效性。