大功率激光器驱动电源的闭环控制与补偿

李震

摘要：随着近年来激光技术的应用水平以及研发技术不断提升，各类激光器设备在各个领域内都得到了极为广泛的应用，但是考虑到车载使用条件下的高能激光设备，需要稳定的电网供电作为支持，因此其本身作为激光器电源储能装置相对而言需要更高的应用效率，并且能耗的消耗总量较大。本文综合采用了状态空间平均方法对大功率激光器恒流驱动电源的工作模式建立了等效化处理后的小信号模型，并构建了相应的闭环控制系统，通过集成化的控制芯片UCC28950设计，分析其所需要的控制电路基本功能，综合考虑了自动控制原理所构成的系统补偿网络控制效果，确保整体形成闭环系统网络能够具备良好的抗干扰特点以及瞬时动态化的控制效果。

关键词：激光器；恒流电源；整流电路；模型

前言：一般而言，大功率半导体激光器的驱动设备一般需要稳定度较高、纹波较低的恒流电源作为支撑，但是考虑到在构建反馈网络设计的过程中往往需要恒流电源作为吃吃，实际工作的过程中驱动装置容易由于外部因素的影响而出现不稳定的状态。本文采用全桥零压开关移相技术作为核心，分析构建DC-DC功率模块的工作效果，综合运用状态空间平均法建立全波整流电路的信号模型，并且确保整体的功率模块能够形成双环控制系统，在控制过程中可以通过开关管占空比的变化情况建立自控网络，并基于Matlab工具实现辅助控制，为大功率半导体激光器的自动控制提供有效的支持。

1 状态空间法建立移相全桥倍流整流电路的小信号数学模型

恒流型DC-DC功率模块的功能性具体包括功率变换、输入滤波、输出整流滤波三个组成部分，不同部分构建的主电路模块所提供的辅助电源能够为电路的供电提供必要的低压电源作为支持，并且其构成的控制电路是本次研究过程中的重要部分。

1.1 恒流驱动电源的主要技术参数

实际控制过程中应该明确主电路参数设定在标准值，其中变压器的变比倒数应该满足比例为1:2的基本条件，设置负载电阻R=3.1Ω，确定输出滤波电感大小前后相同为80μH，滤波控制过程中的电容参数大小满足3400μF-3700μF之间。在性能控制阶段需要保证输入的电源参数保持DC600V，其中控制开关频率为100kHz，开关控制频率下其PWM锯齿波峰的参数值满足2.8V的基本标准，其中输出电压范围应该保持在30-120V之间，并且系统本身可以在该范围内实现负载的自适应调节，输出的电流平均数值控制在40A左右。

1.2 小信号模型的建立

在开关频率调节足够大的情况下，构建平均化的控制模型可以对源系统的开合性质进行调整，具体会影响其本身的稳定性特点。在通过移相全桥倍流整流电路工作的过程中，其本身的工作波形不会产生较大的波动。在采用状态空间法对移相全桥倍流整流电路数学模型进行推导的过程中，应该设置D为开关导通状态下的占空比，并且由于开关频率相对较大，其本身状态变量下的波形应该包括电感电流控制下的开关管导通工作状态，并且按照近似线性规律的基础上进行有效调整，其本身的状态方程之间满足：

①0≤t≤DTs状态下：

②Ts≤t≤（Ts+DTs）状态下：

③在（Ts+DTs）≤t≤2Ts状态下：

为了尽可能忽略掉输入电压产生的扰动效果，需要对上述方程进行拉普拉斯变化处理，并且通过对其频域特性方程进行调整，可以对输出电压扰动实际情况进行控制，结合实际情况调整占空比的扰动变化关系，最终经过简化处理之后得到的方程关系如下式：

结合上式可以判断，加入在存在等效输出电感基础上，可以通过倍流整流电路的数学模型以及全波整流电路的控制效果相同。另外，通过全波整流电路的控制构成的小信号模型可以推导得到相应的倍流整流电路工作状态，假设移相全桥倍流整流电路的中间部分为理想化处理后的变压器，其左边部分内的占空比所造成的范围扰动较小，但是在输入电压与输入电流影响的情况下其本身会由于受控源的干扰产生改变而出现较大的波动性。另外，在电路的右半部分中主要是体现出电路本身滤波元器件相关的低通滤波器，其通过移相全桥倍流整流电路的工作模型可以得到等效化处理后的电路模型。

2 稳流开关电源控制电路设计

2.1 移相全桥

在一般设计方案中，移相全桥电路通过PWM控制电路进行调整可以尽可能改变其本身的功能性，具体而言体现在以下几个方面：①需要通过有效方法对主电路的开关变换频率进行调整；②需要对主电路软启动的控制方法以及时间进行调整；③调节滞后臂以及超前之前的死区控制时间；④通过调整外围控制方法、UCC28950以及保护电路之间的有效连接，在设计过程中可以通过TI芯片以及UCC28950进行控制，相关作用电路在实施设计的过程中需要结合电路的布置以及设计特点进行优化与完善。

2.2 双闭环控制系统设计

采用恒流DC-DC功率模块进行负载调节的过程中可以通过大功率激光二极管阵列进行设计，在输出电流控制阶段其本身的稳定度以及可调范围都难以进行有效控制。当功率模块的主电路以及相关参数明确之后，恒流控制电路的设计效果直接影响到其本身的模块性能关键。恒流电源电流模式在实施控制的过程中需要设定电流反馈环为外环，其中选择电压反馈环为内环，在功率模块输出之后的电流采样后输出得到电压参数，并且通过运算放大器的反向端输出方式实现电流基准上的Vref比较，最终输出的误差信号通过反向端的输出电压采样信号比较确定三角波的具体情况，最终得到的占空比调节后的方波信号可以实现对全桥变换器的精确控制。

结语：在本次设计的过程中结合状态空间平均法构建了小信号分析模型确定移相全桥倍流整流信号模型，并通过Matlab工具为控制环路构建了相应的补偿网络，从而改善恒流电源的瞬时动态特性以及抗干扰效果，从而在双闭环控制的过程中综合利用集成控制芯片UCC28950进行设计，在此基础上构建的控制电路具有良好的稳定效果。

参考文献：

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