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基于半导体泵浦与固体激光的全固态激光技术是实现小型化、高可靠性、高光束质量激光输出的重要途径,在工业、国防、科研、医疗等领域均有着广泛的应用。其中,作为能量提供源的半导体激光器阵列,其驱动技术与控制策略直接决定了激光器的输出性能。针对目前通用半导体激光驱动电源采用220VAC供电、输出电压不高、体积大等缺点,本文根据大功率半导体激光器准连续脉冲工作方式的特定要求,应用储能电容充放电的能量压缩技术实现脉冲电流输出,从驱动电源充电、放电与控制几个方面开展了相关脉冲驱动技术与控制策略的研究,设计并验证了驱动电源各环节的技术实施方案。 本文主要内容包括: 根据电容周期充放电特性的研究,对充电过程进行了分析,设计了相应的反激式开关变换器作为充电主回路,并首次将脉冲跨周期(PSM)控制策略应用于开关电源技术的恒压控制中,提高了充电响应速度,减小了开关损耗,实现了高效、高稳定度的充电过程。通过对所设计开关变换器的仿真,证明该结构可以在低电压供电高电压输出情况下对储能电容进行快速充电。 研究了半导体激光器阵列的工作特性与损坏机理,依据其伏安特性,采用电压跟随式深度负反馈技术作为放电过程中实现恒流控制的线性恒流电路,实现了脉冲平顶电流的稳定控制。根据输出脉冲的电流与电压要求,选择了IGBT(绝缘栅双极性晶体管)作为线性恒流源的功率调整元件,克服了传统MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)承载功率小的缺点。根据半导体损坏机理,应用缓启动、CROWBAR、过流过压检测电路等硬件技术防止其由于尖峰电流或过电流等情况造成损坏。 在对能量压缩技术控制方法研究的基础上,采用高速16位AVR单片机ATXMEGA32A作为驱动电源的控制核心,完成了根据上位机指令控制驱动电源工作状态,输出所需脉冲电流的功能。应用单片机丰富的片内资源实现了与上位机和各模块之间的通信、充电电压与放电电流检测等功能。为提高驱动系统可靠性,还应用了单片机硬件中断技术,在异常情况出现时令系统迅速处于中断封锁状态,保证了负载的安全。 结合PCB(印刷电路板)的电磁干扰抑制技术,制作了相应实体电路,并对其性能进行了测试。测试结果表明,充电回路将1000μF的储能电容自初始电压80V充电至100V所需时间仅34.87ms,保持状态下电压纹波为0.7%,电压稳定度达到1.9‰;放电回路在输出电流100A,脉冲宽度200μs,脉冲重复频率20Hz时,脉冲平顶处电流纹波为+0.70%和-0.92%,电流稳定度达到3.9‰。 实验证明本文所设计的半导体激光器驱动电源满足设计指标,可以实现半导体激光器阵列的驱动功能,输出驱动电流平稳,系统可靠性高。该驱动电源的实现为开展小型化高质量全固态激光器的进一步研究打下了基础。