一种激光器的功率驱动器电路和激光器的制作方法

1.本实用新型属于激光器控制技术领域，特别涉及一种激光器的功率驱动器电路和激光器。


背景技术：

2.在工业控制系统中，功率驱动器大致分为两类：一类是线性驱动器，另一类是脉宽调制式开关驱动器。线性驱动器相比于脉宽调制式开关驱动器，具有驱动平滑、纹波小、无电磁开关噪音、不需要附加平滑滤波电感、高带宽等优点。因此，激光器泵源的功率驱动器通常为线性驱动器。
3.激光器泵源输出功率的稳定性直接决定了激光器最终激光输出功率的稳定性，由于激光器泵源输出功率和流经激光器泵源的电流平方成正比，因此要求流经激光器泵源的电流流动平稳、纹波小，且连续可调。虽然线性驱动器具有电流流动平滑、纹波小、带宽高等优点，但是存在器件本身功耗大的问题，容易导致温度高，需要额外的冷却系统进行降温冷却。通常，功率器件的功耗由两部分组成：(1)大部分功耗损耗在器件的导通电阻上，该部分功耗和电流的平方成正比；(2)在器件开关时产生的开关损耗，由功率器件耦合分散电容或者开关信号延迟引起。
4.在连续光纤激光器中，激光器主要处于连续的工作状态，因此，器件的导通电阻的功耗是激光器功率器件的主要功耗。随着激光器输出功率的日益增加，就需要为激光器提供相应大小的电流，然而随着流经电流的增大，激光器功率驱动器件的功耗随之增加，就需要增加冷却系统的容量，并且还需要增加半导体功率驱动器件额定功率，极大提高了激光器的成本。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型公开了一种激光器的功率驱动器电路和激光器，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.本技术一方面公开一种激光器的功率驱动器电路，所述功率驱动器电路包括控制单元以及功率单元；所述功率驱动器电路还包括第一比较单元、第二比较单元、第三比较单元、第一电流检测单元和第二电流检测单元；
8.所述控制单元包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元，所述功率单元包括第一功率单元和第二功率单元；所述第一功率单元的功率支路和所述第二功率单元的功率支路分别与所述第一电流检测单元和所述第二电流检测单元串联后并联连接至电路外部的工作模块，所述第一控制单元和所述第二控制单元分别连接所述第一功率单元和所述第二功率单元；
9.所述第一控制单元用于控制流经所述第一功率单元的第一路电流，所述第二控制单元用于控制流经所述第二功率单元的第二路电流，从而控制流经所述工作模块的总电
流；
10.所述第一比较单元，用于比较所述第一电流检测单元检测到的电流与设定电流的偏差，并把比较结果发送给所述第一控制单元；所述第一控制单元根据所述第一比较单元的比较结果控制流经所述第一功率单元的第一路电流；
11.所述第三比较单元，用于比较所述第一电流检测单元检测到的电流与所述第二电流检测单元检测到的电流的偏差，并把比较结果发送给所述第三控制单元；所述第三控制单元根据所述第三比较单元的比较结果输出控制电流给所述第二比较单元；
12.所述第二比较单元，用于比较所述第三控制单元输出的控制电流与所述设定电流以及所述第二电流检测单元检测到的电流，并把比较结果发送给所述第二控制单元；所述第二控制单元根据所述第二比较单元的比较结果控制流经所述第二功率单元的第二路电流，使所述第二路电流跟随所述第一路电流和所述设定电流，从而使所述第二路电流和第一路电流的电流大小一致。
13.进一步地，所述第一功率单元包括电阻r3和mos管q1，所述第二功率单元包括电阻r7和mos管q2；
14.所述mos管q1的漏极和所述mos管q2的漏极与所述工作模块连接，所述mos管q1的源极与所述mos管q2的源极分别连接所述第一电流检测单元和所述第二电流检测单元；所述第一控制单元通过所述电阻r3连接所述mos管q1的门极，所述第二控制单元通过所述电阻r7连接所述mos管q2的门极。
15.进一步地，所述第一比较单元包括运放u1；所述第二比较单元包括电阻r
13
、运放u6和运放u3；所述第三比较单元包括运放u5；所述第一控制单元包括运放u2、电阻r1、电阻r2、电阻r5、电阻r6、电容c1和电容c2；所述第二控制单元包括运放u4、电阻r9、电阻r
10
、电阻r
11
、电阻r
12
、电容c3和电容c4；
16.所述运放u1的同相输入端连接所述设定电流，所述运放u1的反相输入端经过所述电阻r2连接所述mos管q1的源极，所述电容c2并联在所述电阻r2两端，所述运放u1的输出端经过所述电阻r5与所述运放u2的同相输入端连接，所述电阻r1和电容c1依次串联连接在所述运放u1的输出端和反相输入端之间，所述运放u2的反相输入端通过电阻r6接地，所述运放u2的输出端通过所述电阻r3连接所述mos管q1的门极；
17.所述运放u6反向输入端通过所述电阻r
13
连接所述第三控制单元，所述运放u6的同相输入端连接所述设定电流，所述运放u6的输出端连接所述运放u3的同相输入端，所述运放u3的反相输入端经过所述电阻r
10
连接所述mos管q2的源极，所述电容c4并联在所述电阻r
10
两端，所述运放u3的输出端经过所述电阻r
11
与所述运放u4的同相输入端连接，所述电阻r9和电容c3依次串联连接在所述运放u3的输出端和反相输入端之间，所述运放u4的反相输入端通过电阻r
12
接地，所述运放u4的输出端通过所述电阻r7连接所述mos管q2的门极；
18.所述运放u5的同相输入端和反相输入端分别连接所述mos管q1的源极和所述mos管q2的源极。
19.进一步地，所述第三控制单元包括运放u7、电阻r
14
、电阻r
15
、电阻r
16
和电容c5；
20.所述运放u7的反相输入端通过所述电阻r
14
与所述运放u5的输出端连接，所述运放u7的同相输入端经过所述电阻r
16
接地，所述运放u7的输出端与所述电阻r
13
连接，所述电阻r
15
和所述电容c5分别并联在所述运放u7的反相输入端和输出端之间。
21.进一步地，所述第一功率单元还包括电阻r4；所述第二功率单元还包括电阻r8；
22.所述mos管q1的门极和所述mos管q2的门极分别通过所述电阻r4和所述电阻r8接地；
23.所述电阻r4和所述电阻r8的阻值不小于第一预设阻值，使通过所述mos管q1和所述mos管q2的动态驱动电流不小于预设电流。
24.进一步地，当所述电阻r3和所述电阻r7的阻值均为2ω时，所述第一预设阻值为2kω。
25.进一步地，所述第一电流检测单元包括第一电流采样电阻，所述第一电流采样电阻的一端与所述mos管q1的源极连接，所述第一电流采样电阻的另一端接地；
26.第二电流检测单元包括第二电流采样电阻，所述第二电流采样电阻的一端与所述mos管q2的源极连接，所述第二电流采样电阻的另一端接地。
27.本技术另一方面公开一种激光器，所述激光器中设置有作为工作模块的单个激光二极管或多个串联的激光二级管，以及上述任一项所述的功率驱动器电路，所述第一功率单元的功率支路和所述第二功率单元的功率支路并联连接至所述激光二极管。
28.本实用新型的优点及有益效果是：
29.本技术的功率驱动器电路中，通过把两个功率单元并联设置，减小了功率驱动器的功率消耗，无需增加冷却系统的容量，同时也不需要增加半导体功率驱动器件的额定功率，减小了激光器的成本；另外，功率驱动器电路根据第一路电流检测单元和第二电流检测单元检测到的电流，以及设定电流，通过第一控制单元控制流经第一功率单元的第一路电流，通过第二控制单元和第三控制单元控制流经第二功率单元的第二路电流，进而实现稳定、准确、迅速地控制流经工作模块的总电流，并使流经两个功率单元的电流尽量保持一致，进而延长了功率器件的使用寿命。
附图说明
30.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
31.图1为本技术的一个实施例提供的一种功率驱动器电路的连接结构示意图；
32.图2为本技术的一个实施例提供的功率驱动器电路的一部分原理图；
33.图3为本技术的一个实施例提供的功率驱动器电路的另一部分原理图。
具体实施方式
34.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。
36.本技术一个实施例中公开一种激光器的功率驱动器电路，如图1所示，该功率驱动
器电路包括控制单元以及功率单元；功率驱动器电路还包括第一比较单元、第二比较单元、第三比较单元、第一电流检测单元和第二电流检测单元。
37.具体地，控制单元包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元，功率单元包括第一功率单元和第二功率单元；第一功率单元和第二功率单元分别与第一电流检测单元的功率支路和第二电流检测单元的功率支路串联后并联连接至电路外部的工作模块，工作模块与电压源连接，电压源为工作模块提供电能。第一控制单元和第二控制单元分别连接第一功率单元和第二功率单元。其中，第一电流检测单元和第二电流检测单元分别用于检测流经第一功率单元和流经第二功率单元的电流。
38.第一功率单元与第二功率单元并联设置，在保证为工作模块提供原有电流的前提下，流经每个功率单元的电流为原有电流的一半，当功率驱动器电路中只有一个功率单元时，其导通电阻为r，在功率驱动器电路需输出电流为i时，其功耗为：p1＝i
2 r；当功率驱动器电路中有两个并联的功率单元时，其功耗为：p2＝(1/2i)2r+(1/2i)2r＝1/2i
2 r，可以看出p2＝1/2p1。因此，并联后的两个功率单元的功耗是原有单个功率单元功耗的一半。
39.能够理解，本技术的实施例仅使用两个功率单元进行并联，但根据实际需求也可以使用更多的功率单元进行并联。需要注意的是，使用更多的功率单元，可能带来更复杂的结果和更高的器件成本，需要根据实际需求进行平衡。
40.第一控制单元用于控制流经第一功率单元的第一路电流i1，第二控制单元用于控制流经第二功率单元的第二路电流i2，从而控制流经工作模块的总电流i；由于总电流为第一路电流和第二路电流之和，即i＝i1+i2，所以通过控制第一路电流i1和第二路电流i2可以实现对总电流i的控制。
41.第一比较单元，用于比较第一电流检测单元检测到的电流与设定电流的偏差，并把比较结果发送给第一控制单元；第一控制单元根据第一比较单元的比较结果控制流经第一功率单元的第一路电流i1，使第一路电流i1接近于设定电流。
42.第三比较单元，用于比较第一电流检测单元检测到的电流与第二电流检测单元检测到的电流的偏差，并把比较结果发送给第三控制单元；第三控制单元根据第三比较单元的比较结果输出控制电流，并把控制电流发送给第二比较单元。
43.第二比较单元，用于比较第三控制单元输出的控制电流与设定电流以及第二电流检测单元检测到的电流，并把比较结果发送给第二控制单元，具体地，第二比较单元首先比较第三控制单元输出的控制电流与设定电流的偏差，然后根据比较结果输出相应的比较电流，再将比较电流与第二电流检测单元检测到的电流进行比较，并将最终的比较结果发送给第二控制单元；第二控制单元根据第二比较单元的比较结果控制流经第二功率单元的第二路电流i2，使第二路电流i2跟随第一路电流i1和设定电流，从而控制第一路电流i1和第二路电流i2的电流大小一致。
44.本实施例中，第一电流检测单元、第一比较单元、第一控制单元和第一功率单元形成了第一路电流负反馈控制回路；第二电流检测单元、第三比较单元、第三控制单元、第二比较单元、第二控制单元和第二功率单元形成了第二路电流负反馈控制回路，通过第一路电流负反馈控制回路和第二路电流负反馈控制回路的反馈调节，实现对流经第一功率单元的第一路电流i1和流经第二功率单元的第二路电流i2的控制，使第一路电流i1和第二路电流i2均接近设定电流，进而使流经工作模块的总电流i为两倍的设定电流。
45.通常情况下，两个功率单元的特性不同，会导致流经两个功率单元的电流不同，在长期工作中，通过电流相对较大的功率单元的温度比较高，容易损坏。因此，通过第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元调控第一功率单元和第二功率单元，使流经第一功率单元和第二功率单元的电流一致，进而保证两个功率单元工作的一致性和稳定性，延长功率驱动器电路中功率器件的使用寿命，降低功率驱动电路的成本。另外，设定电流的大小与流经工作模块的总电流i之间的关系可以根据并联的功率单元的数量来确定，例如并联的功率单元的数量为n，则设定电流的大小为i/n。
46.由于第一电流检测单元和第二电流检测单元检测到的电流之和与流经工作模块的总电流i大小相同，第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元通过控制第一功率单元和第二功率单元，使第一路电流i1和第二路电流i2的大小接近于设定电流，进而使流经工作模块的总电流i尽可能接近两倍的设定电流。
47.综上，本实施例的功率驱动器电路中，通过把两个功率单元并联设置，减小了功率驱动器的功率消耗，无需增加冷却系统的容量，同时也无需增加半导体器件的额定功率；另外，功率驱动器电路根据第一电流检测单元和第二电流检测单元检测到的电流，以及设定电流，通过第一控制单元控制流经第一功率单元的第一路电流，通过第二控制单元和第三控制单元控制流经第二功率单元的第二路电流，使第一路电流和第二路电流均跟随设定电流，进而实现稳定、准确、迅速地控制流经工作模块的总电流，并使流经两个功率单元的电流一致，延长了功率单元中功率器件的使用寿命。
48.在一个实施例中，如图2所示，第一功率单元vi包括电阻r3和mos管q1，第二功率单元vii包括电阻r7和mos管q2。
49.mos管q1的漏极和mos管q2的漏极与工作模块连接，mos管q1的源极与mos管q2的源极分别连接第一电流检测单元和第二电流检测单元；第一控制单元iv通过电阻r3连接mos管q1的门极，第二控制单元v通过电阻r7连接mos管q2的门极。
50.在一个实施例中，如图2～图3所示，第一比较单元i包括运放u1；为了便于附图的显示，对第二比较单元进行了拆分显示，第二比较单元包括图2中的ii-1部分和图3中的ii-2，其具体包括电阻r
13
、运放u6和运放u3；第三比较单元iii包括运放u5；第一控制单元iv包括运放u2、电阻r1、电阻r2、电阻r5、电阻r6、电容c1和电容c2；第二控制单元v包括运放u4、电阻r9、电阻r
10
、电阻r
11
、电阻r
12
、电容c3和电容c4。
51.运放u1的同相输入端连接设定电流，运放u1的反相输入端经过电阻r2连接mos管q1的源极，电容c2并联在电阻r2两端，运放u1的输出端经过电阻r5与运放u2的同相输入端连接，电阻r1和电容c1依次串联连接在运放u1的输出端和反相输入端之间，运放u2的反相输入端通过电阻r6接地，运放u2的输出端通过电阻r3连接mos管q1的门极。
52.运放u6反向输入端通过电阻r
13
连接第三控制单元viii，运放u6的同相输入端连接设定电流，运放u6的输出端连接运放u3的同相输入端，运放u3的反相输入端经过电阻r
10
连接mos管q2的源极，电容c4并联在电阻r
10
两端，运放u3的输出端经过电阻r
11
与运放u4的同相输入端连接，电阻r9和电容c3依次串联连接在运放u3的输出端和反相输入端之间，运放u4的反相输入端通过电阻r
12
接地，运放u4的输出端通过电阻r7连接mos管q2的门极。
53.运放u5的同相输入端和反相输入端分别连接mos管q1的源极和mos管q2的源极，分别接收来自第一路电流检测单元和第二电流检测单元检测到的电流所对应的电压。
54.进一步地，如图3所示，第三控制单元viii包括运放u7、电阻r
14
、电阻r
15
、电阻r
16
和电容c5。
55.运放u7的反相输入端通过电阻r
14
与运放u5的输出端连接，运放u7的同相输入端经过电阻r
16
接地，运放u7的输出端与电阻r
13
连接，电阻r
15
和电容c5分别并联在运放u7的反相输入端和输出端之间。
56.在理想状态下第一路电流i1和第二路电流i2都接近设定电流，但是在实际情况中，瞬时的第一路电流i1不等于设定电流，要使第二路电流i2跟随第一路电流i1，则第二路电流i2就很难跟随设定电流，反之亦然。若第二路电流i2既要跟随第一路电流i1，又要跟随设定电流时，流经工作模块的总电流i与两倍的设定电流相差较大，第一路电流i1和第二路电流i2相差也较大，承受相对较大电流的功率单元功耗较大，在长期工作后升温高，严重时有击穿或烧毁的风险。在第二路电流i2跟随设定电流时，第二路电流i2和第一路电流i1相差较小，在5％允许的范围以内，但是流经工作模块的总电流i以及第一路电流i1和第二路电流i2都出现明显的自激震荡，自激震荡的幅度在5％-10％之间。在本实施中，可通过优化第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元中电阻r
14
、电阻r
15
、电阻r
16
、电容c5、电容c1和电容c3的参数，使第一路电流i1和第二路电流i2相差不大，均接近设定电流，并且此时第一路电流i1和第二路电流i2以及流经工作模块的总电流i都没有明显的自激震荡。例如，通过设定参数，使r
14
＝3kω，r
15
＝1.1kω，r
16
＝1kω，c5＝100pf，c1＝c3＝20pf，此时，第一路电流i1和第二路电流i2相差不大，且第一路电流i1和第二路电流i2以及流经工作模块的总电流i没有明显的自激震荡。
57.在一个或一些实施例中，如图2第一功率单元vi还包括电阻r4；第二功率单元vii还包括电阻r8。
58.mos管q1的门极和mos管q2的门极分别通过电阻r4和电阻r8接地。
59.电阻r4和电阻r8的阻值不小于第一预设阻值，使mos管q1和mos管q2的驱动电流不小于预设电流。电阻r4和电阻r8的阻值不小于第一预设阻值可以有效增大进入mos管q1门极和mos管q2门极的动态电流，进而加快mos管q1和mos管q2的工作动态，以便加快通过mos管q1和mos管q2达到工作模块的电流响应，使通过工作模块的电流很快地跟上两倍的设定电流。
60.进一步地，当电阻r3和电阻r7的阻值均为2ω时，第一预设阻值为2kω，即电阻r4和电阻r8的阻值均不小于2kω。
61.在一个实施例中，第一电流检测单元包括第一电流采样电阻，第一电流采样电阻的一端与mos管q1的源极连接，第一电流采样电阻的另一端接地。
62.第二电流检测单元包括第二电流采样电阻，第二电流采样电阻的一端与mos管q2的源极连接，第二电流采样电阻的另一端接地。
63.当然，第一电流检测单元和第二电流检测单元也可以为其他电流采集器件，亦在本技术的保护范围之内。
64.本技术的一个实施例中公开一种激光器，该激光器中设置有作为工作模块的单个激光二极管或多个串联的激光二级管，以及如上述任一实施例中的功率驱动器电路，其中，第一功率单元的功率支路和第二功率单元功率支路并联连接至激光二极管。该激光器的具有功耗小、可控性强的优点，且对半导体功率器件额定功率要求低。
65.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域
技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。