eng
Выпуск #1/2019
З. С. Павлова, А. В. Фёдоров, В. В. Давыдов, А. В. Мороз
Модульный импульсный источник питания для лазеров с диодной накачкой
Модульный импульсный источник питания для лазеров с диодной накачкой
Просмотры: 2397
Результаты исследования рынка лазеров с диодной накачкой выявили резкое отличие спроса на изделия блоков питания диодных матриц между российскими и зарубежными заказчиками. С учетом этих особенностей на базе принципа модульности был разработан малогабаритный импульсный источник питания для подвижных лазерных устройств. Источник питания удовлетворяет требованиям к лазерам: повышению мощности (свыше 5 кВт), точности стабилизации тока, малому фронту и срезу импульса накачки (не более 15–20 мкс), снижению массогабаритных характеристик, широкому диапазону рабочих температур. Новый модульный импульсный источник питания для лазеров с диодной накачкой существенно упрощает производителям лазеров решение вопросов питания лазерных диодов и настройки драйверов при сборке подвижных лазерных систем.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.1.42.47
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.1.42.47
ВВЕДЕНИЕ
Для решения различных задач, связанных с проведением научных исследований, технических измерений, обработкой и получением новых материалов, передачей информации и т. д. во всем мире разработано и выпускается большое число моделей оптических квантовых генераторов (лазеров) [1–2]. Наиболее эффективным способом создания инверсии населенности в лазерах признана диодная накачка как для непрерывного, так и импульсного излучения [1–4]. В современных моделях лазеров диодную накачку осуществляют с помощью диодных матриц. Для них разработаны различные блоки питания как зарубежными, так и отечественными производителями. В зависимости от задач, для решения которых используются лазеры [5], блоки питания отличаются режимами работы, техническими характеристиками, исполнением и габаритами.
Наибольшие сложности возникают при разработке блоков питания для импульсных лазеров с диодной накачкой, которые используются на подвижных объектах в различных технических устройствах. К таким устройствам относятся, например, дальномеры или приборы ночного видения ИК-диапазона, устанавливаемые на машинах, морских судах или летательных аппаратах [2, 5], автоматизированные подвижные комплексы для лазерной сварки в сложных условиях (внутри трубопровода или трюма корабля и т. д.). В этих случаях возникают существенные ограничения по массогабаритным характеристикам блока питания и возможностям его охлаждения. Наиболее доступным хладогеном, как правило, в таких условиях является только воздух.
Стоит отметить, что продукция зарубежных фирм (BWT, DILAS, Focuslight и т. д.) в основном разработана под диодные матрицы, питающиеся малым напряжением и большими токами. Для накачки этих матриц используются схемные решения на базе понижающих преобразователей, работающих в режиме стабилизации тока (драйверов) и готовых покупных AC / DC источников. Используя данный подход и стандартные микросхемы, можно создавать источники на максимальное напряжение до 50 В и токи до 100–200 А.
Однако наибольшее распространение на российском рынке получили импульсные матрицы производства компании «Инжект», что связано как со спецификой решаемых задач, так и с их доступностью и возможностью изготовления матриц под заказ с заданными характеристиками. При этом электрические параметры этих матриц существенно отличаются от их западных аналогов в сторону большего рабочего напряжения, меньших токов и необходимостью питания от одного источника сразу нескольких матриц (как правило, от 3 до 9 на один квантрон). Это делает невозможным использование готовых западных источников без их существенных изменений и доработок.
До недавнего времени для решения данных задач компания FEDAL предлагала готовые законченные решения на базе серийно выпускаемых источников серии SF3XX с рабочим напряжением до 140–160 В и токами до 250–300 А. При этом матрицы подключались параллельно через дополнительную плату выравнивания тока. Преимуществом данного решения являлась простота и малая стоимость источника в пересчете на матрицу и принцип: «один источник – один лазер». Из недостатков можно выделить разброс тока между матрицами до 5%, что не позволяло их использовать на максимальных режимах, дополнительные потери мощности на плате выравнивания и большое количество проводов, идущих непосредственно к квантрону лазера.
Однако дальнейшее повышение мощности лазеров, требований к точности стабилизации тока, малому фронту и срезу импульса накачки (не более 15–20 мкс), габаритам и массе, диапазону рабочих температур и нецелесообразности дальнейшего повышения средней мощности источника питания свыше 5 кВт потребовали существенно переосмыслить подходы к построению данных систем.
Поэтому в этих случаях логичнее использовать для накачки последовательное включение диодных матриц. При таком включении ток в каждой матрице будет одинаков, но ограничен рабочим напряжением, которое на сегодняшний день составляет 500 В. При больших напряжениях происходит пробой внутри матрицы на корпус. В условиях ограниченности пространства в конструкции лазера, например, для дальномера, который установлен на подвижном носителе, очень тяжело обеспечить требуемое напряжение изоляции матрицы от корпуса. При этом средняя мощность диодной матрицы, выпускаемой компанией «Инжект», сравнительно невысокая. Поэтому для накачки в мощном импульсном лазере обычно используются 9 и более матриц. Проведенные нами исследования показали, что для эффективной работы системы накачки из трех последовательно включенных диодных матриц компании «Инжект» необходимо обеспечить рабочие напряжения от 400 до 500 В при токах от 30 до 50 А. Наиболее целесообразным вариантом решения данной задачи является разработка малогабаритного импульсного блока питания с воздушным охлаждением с конфигурацией, позволяющей собирать из них модули для импульсных лазеров различной мощности (например, 100 Вт, 500 Вт, 1 000 Вт и т. д.). Это обстоятельство сделает данный источник питания универсальным для различных конструкций лазерных систем на подвижных объектах.
Один из вариантов такого малогабаритного импульсного источника питания предлагается коллективом компании FEDAL в данной статье на основе проведенных исследований. При взаимодействии с производителями лазерных систем как конечного продукта у производителей лазерной электроники появилась идея применения принципа модульности, который впервые был широко и успешно применен компанией IPG Photonics в их изделиях.
МОДУЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ
Построение лазерных систем по принципу модульности подразумевает наличие одного отработанного универсального блока питания средней или малой мощности (например, на мощность 500 Вт). При этом требуемая мощность готовой лазерной системы набирается за счет количества источников питания. Каждый универсальный блок питания оптимизирован под конкретный диапазон токов и напряжений, что делает его параметры более качественными, с точки зрения стабильности импульса тока накачки, фронта импульса и КПД.
Таким образом, при построении различных лазерных систем на различную мощность достаточно одного универсального решения, перекрывающего большой диапазон мощностей (граничные значения величин которого могут отличаться в десятки раз). Такие универсальные источники питания имеют последовательный интерфейс, это позволяет легко и удобно соединять их в многоканальные системы. Таким образом, один квантрон может накачиваться как одним источником питания, так и несколькими источниками в зависимости от требуемой мощности.
Также необходимым требованием, которое обуславливается работой по принципу модульности, является конструктивное выполнение данного блока в виде OEM (встраиваемого) решения. Это позволяет осуществлять его простую интеграцию в лазерные системы.
Вторым необходимым свойством данных источников питания, обусловленным потребностью рынка, является его «законченность». В отличие от наполовину готовых решений – драйверов, которыми иногда производители оснащают свои изделия, блок питания уже конструктивно включает в себя диодный драйвер, AC / DC преобразователь, накопительные емкости и систему управления. Так как блок питания выполнен в виде OEM решения (как в корпусе, так и в виде открытых печатных плат), данный конструктив упрощает задачу по сборке лазерной системы и позволяет производителям лазеров существенно сократить габариты готового изделия, не вникая в вопросы питания лазерных диодов и настройки драйверов. В качестве примера в таблице приведены основные характеристики уже выпускаемого источника питания SF305M, удовлетворяющего всем выше перечисленным принципам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований рынка лазеров с диодной накачкой было обнаружено, что со стороны российских и зарубежных производителей лазерных систем к блокам питания диодных матриц предъявляются совершенно разные требования. Продукция зарубежных компаний в основном разработана под диодные матрицы, питающиеся малым напряжением и большими токами. Поэтому для накачки этих матриц используются схемные решения на базе понижающих преобразователей, работающих в режиме стабилизации тока (драйверов) и готовых покупных AC / DC источников. Российские производители, наоборот, потребляют матрицы, питающиеся большим рабочим напряжением и меньшими токами. Это создает для отечественных производителей условия невозможности использовать готовые западные источники без дополнительных существенных изменений и доработок.
Поэтому для решения задачи использования отечественных лазерных матриц разработан малогабаритный импульсный блок питания с воздушным охлаждением. Его конструкция позволяет собирать блоки питания для импульсных лазеров различной мощности (100, 500, 1 000 Вт) по модульному принципу.
Источник питания работает с лазерами повышенной мощности, обладает высокой точностью стабилизации тока, малой длительностью фронта импульса (не более 15–20мкс), пониженными массогабаритными характеристиками, функционирует в широком диапазоне температур. В дальнейшем компания FEDAL планирует расширить модельный ряд, выпустив аналогичные блоки питания с другими значениями параметров импульсов тока накачки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Davydov V. V., Kruzhalov S. V., Grebenikova N. M., Smirnov K. Ya. Method for Determining Defects on the Inner Walls of Tubing from the Velocity Distribution of the Flowing Fluid. Measurement Techniques. 2018; 61(4): 365–372.
2. Petrov, A. A., Davydov, V. V., Grebenikova, N. M. Some Directions of Quantum Frequency Standard Modernization for Telecommunication Systems. Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 2018;11118 LNCS: 641–648.
3. Myazin N. S., Smirnov K. J., Davydov V. V., Logunov S. E. Spectral characteristics of InP photocathode with a surface grid electrode. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 929 (1): 012080.
4. Davydov R. V., Antonov V. I. Equation of state for computer simulation of metal ablation by femtosecond laser pulses. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 929(1): 012040.
5. Zharikov I. A., Davydov R. V., Lyapishev V. A., Rud’ V. Yu., Rud’ Yu. V., Glynushkin A. P. Features of the induced photopleochroism oscillations in a photosensitive structures based on CuInSe2. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 929(1): 052011.
Для решения различных задач, связанных с проведением научных исследований, технических измерений, обработкой и получением новых материалов, передачей информации и т. д. во всем мире разработано и выпускается большое число моделей оптических квантовых генераторов (лазеров) [1–2]. Наиболее эффективным способом создания инверсии населенности в лазерах признана диодная накачка как для непрерывного, так и импульсного излучения [1–4]. В современных моделях лазеров диодную накачку осуществляют с помощью диодных матриц. Для них разработаны различные блоки питания как зарубежными, так и отечественными производителями. В зависимости от задач, для решения которых используются лазеры [5], блоки питания отличаются режимами работы, техническими характеристиками, исполнением и габаритами.
Наибольшие сложности возникают при разработке блоков питания для импульсных лазеров с диодной накачкой, которые используются на подвижных объектах в различных технических устройствах. К таким устройствам относятся, например, дальномеры или приборы ночного видения ИК-диапазона, устанавливаемые на машинах, морских судах или летательных аппаратах [2, 5], автоматизированные подвижные комплексы для лазерной сварки в сложных условиях (внутри трубопровода или трюма корабля и т. д.). В этих случаях возникают существенные ограничения по массогабаритным характеристикам блока питания и возможностям его охлаждения. Наиболее доступным хладогеном, как правило, в таких условиях является только воздух.
Стоит отметить, что продукция зарубежных фирм (BWT, DILAS, Focuslight и т. д.) в основном разработана под диодные матрицы, питающиеся малым напряжением и большими токами. Для накачки этих матриц используются схемные решения на базе понижающих преобразователей, работающих в режиме стабилизации тока (драйверов) и готовых покупных AC / DC источников. Используя данный подход и стандартные микросхемы, можно создавать источники на максимальное напряжение до 50 В и токи до 100–200 А.
Однако наибольшее распространение на российском рынке получили импульсные матрицы производства компании «Инжект», что связано как со спецификой решаемых задач, так и с их доступностью и возможностью изготовления матриц под заказ с заданными характеристиками. При этом электрические параметры этих матриц существенно отличаются от их западных аналогов в сторону большего рабочего напряжения, меньших токов и необходимостью питания от одного источника сразу нескольких матриц (как правило, от 3 до 9 на один квантрон). Это делает невозможным использование готовых западных источников без их существенных изменений и доработок.
До недавнего времени для решения данных задач компания FEDAL предлагала готовые законченные решения на базе серийно выпускаемых источников серии SF3XX с рабочим напряжением до 140–160 В и токами до 250–300 А. При этом матрицы подключались параллельно через дополнительную плату выравнивания тока. Преимуществом данного решения являлась простота и малая стоимость источника в пересчете на матрицу и принцип: «один источник – один лазер». Из недостатков можно выделить разброс тока между матрицами до 5%, что не позволяло их использовать на максимальных режимах, дополнительные потери мощности на плате выравнивания и большое количество проводов, идущих непосредственно к квантрону лазера.
Однако дальнейшее повышение мощности лазеров, требований к точности стабилизации тока, малому фронту и срезу импульса накачки (не более 15–20 мкс), габаритам и массе, диапазону рабочих температур и нецелесообразности дальнейшего повышения средней мощности источника питания свыше 5 кВт потребовали существенно переосмыслить подходы к построению данных систем.
Поэтому в этих случаях логичнее использовать для накачки последовательное включение диодных матриц. При таком включении ток в каждой матрице будет одинаков, но ограничен рабочим напряжением, которое на сегодняшний день составляет 500 В. При больших напряжениях происходит пробой внутри матрицы на корпус. В условиях ограниченности пространства в конструкции лазера, например, для дальномера, который установлен на подвижном носителе, очень тяжело обеспечить требуемое напряжение изоляции матрицы от корпуса. При этом средняя мощность диодной матрицы, выпускаемой компанией «Инжект», сравнительно невысокая. Поэтому для накачки в мощном импульсном лазере обычно используются 9 и более матриц. Проведенные нами исследования показали, что для эффективной работы системы накачки из трех последовательно включенных диодных матриц компании «Инжект» необходимо обеспечить рабочие напряжения от 400 до 500 В при токах от 30 до 50 А. Наиболее целесообразным вариантом решения данной задачи является разработка малогабаритного импульсного блока питания с воздушным охлаждением с конфигурацией, позволяющей собирать из них модули для импульсных лазеров различной мощности (например, 100 Вт, 500 Вт, 1 000 Вт и т. д.). Это обстоятельство сделает данный источник питания универсальным для различных конструкций лазерных систем на подвижных объектах.
Один из вариантов такого малогабаритного импульсного источника питания предлагается коллективом компании FEDAL в данной статье на основе проведенных исследований. При взаимодействии с производителями лазерных систем как конечного продукта у производителей лазерной электроники появилась идея применения принципа модульности, который впервые был широко и успешно применен компанией IPG Photonics в их изделиях.
МОДУЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ
Построение лазерных систем по принципу модульности подразумевает наличие одного отработанного универсального блока питания средней или малой мощности (например, на мощность 500 Вт). При этом требуемая мощность готовой лазерной системы набирается за счет количества источников питания. Каждый универсальный блок питания оптимизирован под конкретный диапазон токов и напряжений, что делает его параметры более качественными, с точки зрения стабильности импульса тока накачки, фронта импульса и КПД.
Таким образом, при построении различных лазерных систем на различную мощность достаточно одного универсального решения, перекрывающего большой диапазон мощностей (граничные значения величин которого могут отличаться в десятки раз). Такие универсальные источники питания имеют последовательный интерфейс, это позволяет легко и удобно соединять их в многоканальные системы. Таким образом, один квантрон может накачиваться как одним источником питания, так и несколькими источниками в зависимости от требуемой мощности.
Также необходимым требованием, которое обуславливается работой по принципу модульности, является конструктивное выполнение данного блока в виде OEM (встраиваемого) решения. Это позволяет осуществлять его простую интеграцию в лазерные системы.
Вторым необходимым свойством данных источников питания, обусловленным потребностью рынка, является его «законченность». В отличие от наполовину готовых решений – драйверов, которыми иногда производители оснащают свои изделия, блок питания уже конструктивно включает в себя диодный драйвер, AC / DC преобразователь, накопительные емкости и систему управления. Так как блок питания выполнен в виде OEM решения (как в корпусе, так и в виде открытых печатных плат), данный конструктив упрощает задачу по сборке лазерной системы и позволяет производителям лазеров существенно сократить габариты готового изделия, не вникая в вопросы питания лазерных диодов и настройки драйверов. В качестве примера в таблице приведены основные характеристики уже выпускаемого источника питания SF305M, удовлетворяющего всем выше перечисленным принципам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований рынка лазеров с диодной накачкой было обнаружено, что со стороны российских и зарубежных производителей лазерных систем к блокам питания диодных матриц предъявляются совершенно разные требования. Продукция зарубежных компаний в основном разработана под диодные матрицы, питающиеся малым напряжением и большими токами. Поэтому для накачки этих матриц используются схемные решения на базе понижающих преобразователей, работающих в режиме стабилизации тока (драйверов) и готовых покупных AC / DC источников. Российские производители, наоборот, потребляют матрицы, питающиеся большим рабочим напряжением и меньшими токами. Это создает для отечественных производителей условия невозможности использовать готовые западные источники без дополнительных существенных изменений и доработок.
Поэтому для решения задачи использования отечественных лазерных матриц разработан малогабаритный импульсный блок питания с воздушным охлаждением. Его конструкция позволяет собирать блоки питания для импульсных лазеров различной мощности (100, 500, 1 000 Вт) по модульному принципу.
Источник питания работает с лазерами повышенной мощности, обладает высокой точностью стабилизации тока, малой длительностью фронта импульса (не более 15–20мкс), пониженными массогабаритными характеристиками, функционирует в широком диапазоне температур. В дальнейшем компания FEDAL планирует расширить модельный ряд, выпустив аналогичные блоки питания с другими значениями параметров импульсов тока накачки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Davydov V. V., Kruzhalov S. V., Grebenikova N. M., Smirnov K. Ya. Method for Determining Defects on the Inner Walls of Tubing from the Velocity Distribution of the Flowing Fluid. Measurement Techniques. 2018; 61(4): 365–372.
2. Petrov, A. A., Davydov, V. V., Grebenikova, N. M. Some Directions of Quantum Frequency Standard Modernization for Telecommunication Systems. Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 2018;11118 LNCS: 641–648.
3. Myazin N. S., Smirnov K. J., Davydov V. V., Logunov S. E. Spectral characteristics of InP photocathode with a surface grid electrode. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 929 (1): 012080.
4. Davydov R. V., Antonov V. I. Equation of state for computer simulation of metal ablation by femtosecond laser pulses. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 929(1): 012040.
5. Zharikov I. A., Davydov R. V., Lyapishev V. A., Rud’ V. Yu., Rud’ Yu. V., Glynushkin A. P. Features of the induced photopleochroism oscillations in a photosensitive structures based on CuInSe2. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 929(1): 052011.
Отзывы читателей
