专利名称：开关与调整功能分离式准连续半导体激光器电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器电源，尤指一种开关与调整分离式准连续(脉冲)半导体激光器电源。
背景技术：
半导体激光器具有40％左右的光电转换效率，而发射的能量又集中在波长相对非常窄的范围内，因此在工业、医疗、科研及军事等诸多领域得到了广泛的应用，并且有不断向大功率发展的趋势。半导体激光器按工作方式分为连续与准连续(脉冲)两种，连续工作方式是指半导体激光器的工作电流为稳定的连续直流波，直流电流的幅值可作调整；准连续(脉冲)方式是指其工作电流为脉冲的非连续方式，电流的脉冲近似方波，脉冲的频率从单次(1赫兹)到几千赫兹，脉宽为20微秒到600微秒不等，脉冲平顶的电流幅值为80到120安培，其工作电压从2伏到600伏不等或更高。在现实中，尤其是在大电流的情况下，电路中的寄生电感在电流的突变时将产生电压尖峰和毛刺，而这些小小毛刺和尖峰对半导体激光器来说都是致命的！另外如上面所述，半导体激光器的光电转换效率为40％，即加在其上电功率的40％将以激光的方式输出，因此电压、电流的任何波动将直接影响激光的能量输出的波动。
因此准连续半导体激光器对电压及电流的驱动波形要求较高，上升及下降沿不能有尖峰毛刺，这要求的是电源的开关性能。电流的幅值必须稳定在一定的范围内同时也必须在一定的范围内调整，并且不超过半导体激光器的最大工作电流，这要求的是调整功能。
以往国内外采用一支功率器件来实现上述的开关与调整功能，如图4所示，直流电压源Vb’、半导体激光器2’、功率器件3’、开关波形、电流及调整控制电路4’、电流检测单元7’构成了常用的准连续(脉冲)半导体激光器电源电路，但其具有如下两个方面的问题1、由于功率器件3’的开关性能与调整性能是两个不太相容的技术指标，目前市面上的器件要么注重开关性能，要么注重调整性能(如功放)，而同时具有两方面性能的功率器件则很难找到，尤其是在高压、大电流的使用情况下，生产厂商因技术、成本等原因很难生产同时具有两方面性能的功率器件。以功率MOSFET(场效应管)为例，其开关性能非常好，但当其工作电压值升高时，其导通压降将按耐压值的2.5指数关系上升，如下表所示
如果工作电流为100安培，工作电压为300伏，如按上述方式工作，则MOSFET的导通的最小功耗为1120瓦，如需要调整电流，则压降应大于11.2伏，因此功耗将大于1120瓦，而能承受这种功耗的MOSFET管是较难生产的。
2、当这两种性能综合在一个器件上时，实现这两种功能的电路容易相互干扰，妨碍对方功能的实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关与调整功能分离式准连续(脉冲)半导体激光器电源，具有分离的电压、电流波形开关功率器件及其相应的控制电路与调整功率器件及其控制电路的特点，这两种电路相互独立，即能满足准连续(脉冲)半导体激光器的电压与电流的技术要求，同时又不易相互干扰，其最大好处是控制电路简化，控制性能加强，对电压源的要求降低，可采用体积小、重量轻的开关电源。另外由于功能的独立实施，相应的开关功率器件及调整功率器件更容易的选择，有关性能的实施大大加强，系统效率有所提高。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案这种开关与调整功能分离式准连续半导体激光器电源包括为半导体激光器提供电源能量的电压源(开关电源及线性电源皆可)；电压电流波形开关功率器件，将电压、电流波形控制电路产生的控制信号转换成准连续半导体激光器所需电流脉冲；电压、电流波形控制电路，提供开关元件导通与关断时的控制波形，其控制电路采用变压器耦合方式或光电二极管耦合方式、电压平移方式之一种方式
工作在线性区的调整功率元件，完成最大工作电流的限制、工作电流的调整及稳定；最大电流设定、工作电流调整及稳定电路，提供给调整功率元件所需的控制波形；电流探测单元，为半导体激光器提供工作电流的反馈信号，输出为电压信号且满足V＝I/α。
本发明的优点是1、电流的稳定性及可调节性不受电压、电流波形电路的影响，具有较高的稳定性。如通过改变开关波形控制电路参数来调节电流的上升时间与下降时间，而设定的电流幅值与调节控制电路不受其影响。相反也如此。
2、所用关键元器件的可选择性增加，性能也得到较大改善，从而确保电源系统性能、技术指标及可靠性有较大提高。如设计一个工作电压在300伏的准连续电源，只需将电压、电流波形开关元件的耐压选择高于300伏的开关元件，IGBT、MOSFET皆可。但IGBT具有导通压降小，开关性能超越半导体激光器的波形形状要求的优点，故可很容易地选择到器件。而作为调整用的功率管可选择功率MOSFET，且只需注重其调整性能，这样具有优异性能的器件很容易找大，系统的效率、完全及可靠性、性能等较目前的方式提高很多！
图1 为本发明开关与调整功能分离式准连续(脉冲)半导体激光器电源的原理2 为常用的三种电压、电流波形控制电路方式原理3 为最大电流设定、工作电流调整及稳定电路原理4 为现有技术中常用的准连续(脉冲)半导体激光器电源电原理图具体实施方式
如图1所示，本发明开关与调整功能分离式准连续(脉冲)半导体激光器电源包括提供电源能量的电压源Vb，即可为普通线性电压源也可为开关电压源，电压值按照激光器的工作电压而确定；准连续(脉冲)工作方式的半导体激光器2；(为本实用新型电源的负载，在此仅作连接的示意。)电压、电流波形开关元件Qs，将电压、电流波形控制电路产生的控制信号转换成准连续(脉冲)半导体激光器所需能量脉冲。开关元件Qs可为IGBT(绝缘基极三极管)、MOSFET(场效应管)、三极管等，但IGBT为首选；电压、电流波形控制电路4，提供给电压、电流波形开关元件Qs导通与关断时的控制波形，共有变压器耦合方式、光电二极管耦合方式、电压平移等三种不同的方式，图2-1、图2-2、图2-3分别列举了每种方式中各常用的一种实施电路。
变压器耦合方式包括一提供导通与关断时能量耦合的变压器T1，其输入端为一标准的电压方波信号PS，其输出端经一单向二极管D1、电阻Rb接电压、电流波形开关元件Qs的门极，提供Qs的开通与导通功能；电阻R1及P沟道MOSFET Q1提供电压、电流波形关断时门极电荷的泄放通道。
光电耦合方式包括一光耦U2，电阻R2，+15V电源，其它电路同上。
电压平移方式包括一P沟道MOSFET Q2，-N沟道MOSFET Q3，+15V电源，工作原理同上。
所述的电压、电流波形控制电路产生非常平滑的上升与下降波形，通过改变Rb的数值可将上升与下降的时间作一定范围内的调整，以适应不同设计、不同器件的需求。
调整功率元件Qr，完成最大工作电流的限制、工作电流的调整及稳定。该功率元件Qr可选择功率MOSFET、IGBT及三极管等，其中功率MOSFET为首选。
最大电流设定、工作电流调整及稳定电路6，提供给工作在线性区的调整功率元件Qr所需的控制波形；该最大电流设定、工作电流调整及稳定电路的一种实施电路参见图3，其由电流设定(I＝αV)，α为电流探测器件的电流电压转换系数。稳定电压源、运算放大器U1、电流探测器(输出电压满足V＝I/α)构成。最大电流设定由稳定电压源的最大值确定、工作电流调整及稳定电路皆由电流负反馈连接的运算放大器U1及稳定电压源完成。
为半导体激光器2提供工作电流的反馈信号的电流探测单元7，输出为电压信号。该电流探测单元可采用现有技术，此处不赘述。
本发明的工作原理是电压、电流波形开关元件Qs将电压、电流波形控制电路产生的控制信号转换成准连续(脉冲)半导体激光器所需的电流脉冲；电压、电流波形控制电路提供开关元件导通与关断时的控制波形。调整功率元件Qr受其控制电路的作用，完成最大电流限制、工作电流调节及稳定的功能。
本发明采用两个独立的开关与调整控制单元，即电压、电流波形开关元件Qs及其控制电路，工作在线性区的调整功率元件Qr及最大电流设定、工作电流调整及稳定电路；两种电路的组合产生准连续(脉冲)半导体激光器所需要的最佳工作电流波形，共同的效果实现了准连续半导体激光器的电压与电流的技术要求。同时，这两种电路相互独立，将开关冲击与恒流控制而产生的冲击分摊在两个功能元件上；在充分满足脉冲工作的半导体激光器安全的基础上，上升及下降沿的时间有较大范围的调节性能，电流和电压波形上沿及下降沿无过冲；电流的稳定性及可调节性不受电压电流波形电路的影响，并可达到较高的稳定性；所用关键的元件的可选择性增加，性能也得到较大改善，从而确保电源系统性能、技术指标及可靠性有较大提高。
权利要求
1.一种开关与调整功能分离式脉冲准连续半导体激光器电源，包括电压、电流波形控制单元，最大工作电流设定、工作电流调整及稳定单元；其特征在于它还包括独立的电压、电流波形开关元件(Qs)控制及产生准连续半导体激光器所需能量脉冲；提供给电压、电流波形开关元件(Qs)导通与关断时的控制波形的电压、电流波形控制电路单元，通过改变电阻(Rb)的阻值从而改变(或分别改变)电流的上升与下降时间；独立的工作在线性区的调整功率元件(Qr)，通过改变其导通电压降(或导通电阻)完成最大工作电流的限制、工作电流的调整及稳定；提供给工作在线性区的调整功率元件Qr所需的控制波形的最大电流设定、工作电流的调整及稳定电路。
2.根据权利要求1所述的开关与调整功能分离式准连续(脉冲)半导体激光器电源，其特征在于所述的电压、电流波形控制电路采用变压器耦合方式或光电二极管耦合方式、电压平移方式。
3.根据权利要求1所述的开关与调整功能分离式准连续半导体激光器电源，其特征在于所述的最大电流设定、工作电流的调整及稳定电路由电流设定值为一恒定电压源(V)，其设定电流为I＝αV；一运算放大器(U1)、一电流探测器件(7)，输出为电压值，且满足V＝I/α。
全文摘要
一种开关与调整功能分离式准连续半导体激光器电源，包括为半导体激光器提供的电压源；电压电流波形开关元件将电压、电流波形控制电路产生的控制信号转换成准连续(脉冲)半导体激光器所需电流脉冲；电压、电流波形控制电路，提供开关元件导通与关断时的控制波形；工作在线性区的调整功率元件，完成最大工作电流的限制、工作电流的调整及稳定；最大电流设定、工作电流调整及稳定电路，提供给调整功率元件所需的控制波形；电流探测单元，为半导体激光器提供工作电流的反馈信号。本发明电源电流的稳定性及可调节性不受电压、电流波形电路的影响；所用关键元件的可选择性增加，性能较大改善，从而确保电源系统性能、技术指标及可靠性有较大提高。
文档编号H01S5/042GK1635674SQ20031012158
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月29日 优先权日2003年12月29日
发明者熊振宏, 闫友义, 王坤涛 申请人:爱科凯能科技(北京)有限公司