高性能大电流脉冲电源的设计与实现

高性能大电流脉冲电源的设计与实现

曹海源胡婷婷韦尚方万强孙斌卢常勇

（武汉军械士官学校光电技术研究所，湖北武汉 430075）

摘要 本文针对高功率脉冲DPSSL对激光电源的要求，综合运用了ARM7单片机控制技术、串联VICOR模块可调稳压源、IGBT功率器件及各种保护电路，设计并实现了小型、高效的半导体泵浦激光器驱动电源，具有电压调节范围宽、峰值电流高、控制精度高、良好的稳定性和高低温环境适应性等特点。测试表明：电源整机运行稳定可靠，达到了很高的技术指标要求，可广泛应用于军用激光测距、激光雷达、激光对抗等领域。

关键词 驱动电源；ARM7；电流脉冲；IGBT；VICOR模块

中图分类号 TN248.4 文献标识码 B

Design and Realization of High Performance and Strong Current Pulse Power Supply Cao,Hai-yuan Hu,Ting-ting Wei,Shang-fang Wan,Qiang Sun,Bin Lu,Chang-yong

(Opto-electronics Facility, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School,

Wuhan, Hubei, 430075, P.R.China)

Abstract: In this paper, according to the request of the high power pulse DPSSL, we design and implement a compact, high efficiency power supply for DPSSL, which combines the control technology of ARM7 MCU, tunable voltage stabilizer using VICOR modules in series structure, IGBT power components, closed loop adjusting circuit, and various protective measures. It is specified as wide tuning range of the voltage, high peak current, high control precision, high stability, high adaptability to the high-low temperature, and so on. Test and measurement results show that our power supply operates steadily and reliably, and well meets the request of the performance index in the project. It can be widely applied in military laser rangefinder, Lidar, laser counterwork, and so on.

Keywords: power supply; ARM7; current pulse; IGBT;VICOR module

1 引言

DPSSL（Diode Pumped Solid-State Laser）出现于八十年代末，与传统的灯泵固体激光器相比，它具有效率高、寿命长、结构紧凑、稳定性高等特点，广泛应用于军事、航空航天等领域中。我国从九十年代中期也开始把DPSSL作为激光应用领域的一个新方向来重点研究。而作为DPSSL的泵浦源，大功率半导体激光器对驱动电源的要求非常苛刻，不仅要提供几十甚至上百安培的电流，而且要求电流非常稳定可靠。驱动电源已经成为DPSSL在各个领域应用的核心技术，近几年来一直是人们研究的热点。本文的任务是研制DPSSL中大功率半导体激光器的脉冲驱动电源，根据系统的要求，电源输出电压为100V～200V连续可调，峰值电流为40A～80A连续可调，工作频率为5Hz～40Hz可调，脉宽为150us～300us可调，脉冲前后沿转换时间小于10 us，频率精度小于0.1％。同时，对驱动电源的保护机制和体积都有一定的要求。

2系统设计原理

脉冲电源的工作原理如图1所示，它由DC-DC变换、直流可调稳压控制、脉冲电流生成、稳流控制等部分组成。本文的输入为24V的低压直流电源，工作电流达6A，可以采用功率匹配的直流稳压电源，也可采用聚合物锂电池。DC-DC变换模块和电压调节电路将该直流低压逆变成100V～200V的直流高压，再采用特定的功率开关器件及其控制电路将直流高压变成所需脉宽及频率的电流脉冲，最后通过稳流控制电路完成对脉冲电流的稳流和整形，使其波形特征符合性能指标要求。

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3 系统硬件设计 由对工作原理的分析，本文提出了具体的设计方案，如图2所示，其硬件构成及功能如下：

3.1 VICOR 电源模块

稳定可靠的直流电压源是产生优质脉冲的前提条件。经过调研，本方案采用目前技术成熟的V24C48T100BL 型VICOR 模块来实现电压变换。模块内部电压变换采用DC-DC 转换器实现，具有体积小、效率高的特点。其设定电压精度达±1％V out ，线压稳定度达±

0.02％V out ，温度漂移低至±0.002％V out/℃，效率高达85％。单个模块的额定电压是48V ，电压可调范围是10%-110%。本方案采用5块VICOR 串联实现，必须考虑各个模块的电压均衡问题，否则极易导致个别模块负载过大而烧毁，从而引起一连串的器件损坏。根据对VICOR 模块的原理分析可知，当输入电压一定时，其输出电压的大小受控于从其控制端输入的控制电流的大小。本文采用了光耦器件来保证各模块控制电流注入的平衡。即将5个同型号的光耦初级端口串行连接，通过三端稳压器件和精密电位器调整初级的电流，经过光电转换，在次级产生的电流去控制VICOR 模块的输出端电势差。光耦器件的使用极大地提高了模块的抗干扰能力及环境适应性，实验证明，在高低温条件下，均能很好地控制VICOR 模块输出电势的大小，克服了使用一般器件的局限性。为了提高电压控制的稳度，可从较低电势的模块输出端进行电压采样，利用负反馈来稳定光耦初级的电流调节。同时，本文还采取了相应的保护措施对每个模块进行保护，以免当单个模块的控制电路工作不正常时被灌入电流所烧毁，有效地保护了贵重器件。

3.2 脉冲电流生成模块

激光器负载要求电流大，而且要有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，对大功率开关器件提出了很高的要求。在本方案里采用绝缘栅极双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar 图1 驱动电源工作原理图

图2总体设计方案