固体激光电源的混合集成设计与应用分析

　　摘    要：　随着激光设备的更新换代，激光电源芯片、模块的集成度日益提高，要关注和探讨固体激光电源的混合集成化设计和应用，采用200kHz的恒流变换器充电电路、双基极单结晶体管BT33FJ信号源电路和基于表面安装技术（SMT）设计的控制电路，以提高固体激光电源的小型化、集成化应用。

　　关键词：　固体; 激光; 电源; 集成;

　　为了实现固体激光电源的小型化、集成化，要进行固体激光电源的混合集成化设计和应用，并引入表面安装技术（SMT）,在封装技术的支撑下将原有的分立电路改造为混合集成电路，从而实现固体激光电源的小型化、集成化应用。

　　1、 固体激光电源概述

　　固体激光电源系统涵盖有充放电电路、触发预燃电路及控制电路等，主要采用脉冲供电的方式，在接入输入电压的前提下，氙灯的预燃电路开始工作，其他电路尚未进入到工作状态，待氙灯运行稳定之后，控制电路接收到信号开始工作，控制整个固体激光电源系统，使充电电路进入工作状态，由逆变器对储能电容器进行充电，当其充至预定值时，则会通过封锁信号关闭逆变器，再由储能电容器对负载放电，使YAG产生激光。

　　2、 固体激光电源的混合集成设计与应用分析

　　固体激光电源系统中的充电电路、放电电路、预燃电路和控制电路采用分立设计的方法，为电源的混合集成创造条件，考虑到变压器、电感等磁性元件的集成工艺相对复杂，为此要在封装技术的依托和应用下，进行充电电路的功率元件和控制电路中磁性元件以外器件的集成，总体集成方案的思路为：采用既有的元件设计控制驱动电路，而功率电路则采用未封装的VMOS芯片，并进行VMOS芯片的线路设计和工艺设计，不断提高集成模块电路的性能，避免内部结构的寄生参数和电磁干扰等问题。

　　2.1、 内部电路的设计和应用

　　要设计合理有效的内部电路，采用软开关技术进行模块内部电路的设计，采用中大功率直流变换领域运用较多的电路拓扑形式，实现模块的小型化和集成化设计，有效增大系统功率密度，降低开关损耗和噪声干扰，提高模块的整体性能。首先要将分立的两个电路进行混合和集成，采用VMOS作为功率电路部分的开关管，四个VMOS构成全桥模式，在全桥变换器的回路中加上L0-C0网络，使之成为г-型恒流变换器，由四个端点接入驱动信号，驱动功率器件，并由5、6、7、8端点连接谐振电感、变压器的初级端和次级端。其次，在系统控制电路部分则采用专用PWM控制芯片TL494实现软开关控制，由电压比较器LM339和运算放大器LM324组成外围电路的电压控制模式电路，成为过流过压保护电路，实现了模块的微型化和集成化[1]。
 

　　2.2 、模块结构的设计和应用

　　在封装技术的支持下，通过适宜的封装方法进行集成电力电子模块的设计，实现IPEM的标准化和小型化，在设计过程中要注重机械、电学、热学的协同设计，具体封装技术的选用主要包括以下两种：

　　1）基板技术。DBC板属于双面基板，将控制驱动电路元件分布于两面，形成功能齐备的集成电力电子模块。2）互连技术。主要是指金属柱互连技术，由于金属柱的载流量大、寄生参数小，可能存在材料的CTE失配现象，导致较大的热应力生成。为此，要对金属柱进行预先的特殊处理，考虑到大功率电路的散热需求和实用性，可以设计和应用绝缘金属铝基板，涵盖有覆铜层、导热绝缘层和金属基层，该模块采用三维立体的叠层形式进行排列，内部结构相对简单，电气性能一致，实现集成模块的轻量化和小型化。

　　2.3、 混合集成电源的热设计与应用

　　由于模块内部器件的散热性对于整体性能有直接的影响，为此要分析功率器件的热特性，进行混合集成电源的热设计。

　　混合集成电源模块最下层基板上的功率器件发热量最大，在高电压、高电流的工作条件下，功率器件VMOS极易出现较大的功耗损失。为此要注重VMOS功率器件的传热方式、传热材料的改进和优化，着重考虑功率芯片和周围器件的距离，避免过大的热损耗毁坏开关管；合理设计四个芯片的线路连接方式，要在功率电路和驱动控制电路之间添加屏蔽层，避免功率电路对驱动控制电路产生热量和电磁干扰。并选择铝板较厚、绝缘层较薄、导热率较高的基板，有效控制功率芯片工作时的温度。

　　2.4 、混合集成电源模块的电磁分析

　　由于混合集成电源模块中存在功率回路中寄生电感的杂散能量，为此，要合理设计集成模块的主功率回路布局和互连母线，有效抑制功率开关器件的电压尖峰和振荡，降低互连母线的寄生电感，优化开关器件的瞬态特性，减少功率回路的电磁的目的[2]。

　　2.5、 混合集成模块的内部电路测试

　　要对混合集成模块的内部电路和外围电路进行波形仿真测试，发现充电电路的恒流源特性，开关管的驱动波形主要是产生驱动开关管的驱动信号，本文选用的是全桥输出模式，两路驱动脉冲相差180°。

　　3 、小结

　　综上所述，固体激光电源在电力电子集成技术的发展和支持下，将原有的分立电路进行混合集成，在软开关技术、SMT技术的支持下，设计固体激光电源的信号源电路、充电电路、控制电路和放电电路，并在封装互连技术的依托下设计混合集成电源模块，实现模块顶层PCB和底层铝基板之间的电气连接，实现固体激光电源的小型化、轻量化和集成化设计，提高固体激光电源的使用性能。

　　参考文献

　　[1]郭丽萍.激光电源的控制子系统研制[D].成都:西南交通大学,2017.
　　[2]李文芳.大功率晶体管射频激光电源的研究[D].武汉:华中科技大学,2013.