近年来，众多电网研究单位已提出了高压电气设备在线监测装置供电技术，例如，电池供电、电磁谐振、电容分压以及温差发电等供电方式，但是这些供电技术均存在一定的局限性[1].由于量子级联激光器(QCL)的激光供电方式不受被测对象的负荷影响，供电稳定性较高，已被广泛应用.激光供电发生器作为激光供电系统的核心，其性能优劣直接影响高压电气设备监测装置的稳定性.
目前，国内外的多家科研院所和高等院校纷纷展开对QCL供电发生器的设计研究，其中，设计较成熟能够实现产品商品化的厂商以美国Wavelength公司和上海昕虹光电为代表[2].虽然上述激光器供电发生器驱动电流最大可达到10 A，也具备一定的脉冲电流输出能力，但是脉冲驱动宽度均处于微秒量级.对于当前QCL需要纳秒级驱动能力的需求无法满足.
因此，为了满足QCL激光器对其驱动电流提出高速的要求，设计并研制了高稳定纳秒级激光供电发生器.通过对中心波长为7.5 μm的QCL进行驱动性能测试实验，结果表明，该激光器供电发生器能为高压电气设备监测装置在电网中的稳定运行提供保障.
1 激光供电发生器硬件设计
激光供电发生器由主控制器单元、脉冲信号发生单元、压控恒流源单元和保护电路单元组成.结构框图如图1所示.
图1 激光供电发生器
Fig.1 Laser power supply generator
主控制器单元采用美国德州仪器(TI)公司生产的专业数字信号处理器TMS320LF28335.脉冲信号发生单元可产生幅度、周期以及占空比均可调节的脉冲信号.压控恒流源单元采用线性深度负反馈，通过脉冲信号实现对驱动信号幅值及脉冲宽度的调节[3].保护电路单元可以为QCL提供过流、过压以及静电保护，防止其因上述原因造成不可恢复的损伤，保证QCL稳定运行[4].
1.1 脉冲信号发生单元
脉冲信号发生单元如图2所示.主控制器为TMS320LF28335，该处理器的最高额定工作频率为150 MHz，利用其内部增强型PWM模块产生高速的脉冲信号，作为高速模拟开关的切换信号，最窄的输出脉冲宽度约为6.7 ns.模拟通道0(电平为0 V)的输入电压是地电位0 V，用以关断MOSFET的导通.模拟通道1的输入电压由输出精度为16位数字模拟转换器(DAC)提供，用于设定MOSFET导通电压的大小，进而控制负载电流的大小.TMS320LF28335处理器产生的高速PWM信号对两路输入的模拟通道进行快速切换，产生高精度周期、占空比和电压幅值均可调的脉冲信号.为了实现高速脉冲信号的放大处理，系统选用高速电流反馈型运算放大器对模拟开关输出信号进行放大处理，最终脉冲信号的幅度由DAC的输出电压和高速脉冲放大电路两部分共同决定.
图2 脉冲信号发生单元框图
Fig.2 Block diagram of pulse signal generating unit
1.2 压控恒流源单元
压控恒流源单元原理框图如图3所示.
图3 压控恒流源单元框图
Fig.3 Block diagram of voltage controlled constant current source unit
压控恒流源是以运算放大器U1为核心构成的线性深度负反馈电路.由于运算放大器U1反向端输入阻抗无穷大，所以流经QCL的驱动电流全部通过电阻R2.根据运算放大器U1同向端和反向端虚短原理，电阻R2两端产生电压与运算放大器U1同向端(脉冲输入)信号幅值一致.然后经过运算放大器U1对两端信号进行差动放大驱动MOSFET Q1，从而通过调节脉冲输入信号幅值实现对驱动QCL电流大小的控制[5-10].电阻R1和二极管D1组成加速电路，可以加速MOSFET Q1的开关速度.根据上述原理可得
(1)
式中：I为QCL驱动电流；Vpluse为脉冲电压幅值.
1.3 保护电路单元
静电累积通常会损坏激光器，因此，防静电处理一直是激光器驱动电流的重点，QCL也不例外.此外，驱动电源在上电过冲不可避免地会产生瞬态高压，其电压值远高于QCL的导通电压，会对其造成致命伤害[11-12].因此，电路处理需要对QCL的电压端与地之间并联大功耗的瞬态抑制二极管(TVS)，为了达到最好的抑制效果，瞬态抑制二极管的位置与电源输出端口越近越好[13-14].
2 激光供电发生器软件设计
虽然激光发生器采用线性深度负反馈电路组成压控恒流源单元，较好地解决了发生器非线性问题.但是由于MOSFET本身的非线性特性，为了进一步提升发生器线性度，在软件设计方面采用分段函数方式对MOSFET传输特性函数进行拟合[15].分段拟合函数分别为洛伦兹函数、数理逻辑函数、多项式函数和E指数函数，如表1所示.
表1 分段拟合函数
Tab.1 Piecewise fitting functions
VGS电压分段函数VGS≤4.27公式(1)4.27
采用四种函数模型得到的电流表达式为
(2)
(3)
ID=-134.497 63+56.906 67VGS-
(4)
ID=exp(18.597 86-9.010 45VGS+
(5)
式中：ID为漏极电流；VGS为栅源电压.
MOSFET传输特性分段拟合结果如图4所示.
图4 MOSFET特性拟合曲线
Fig.4 MOSFET characteristic fitting curves
当VGS≤ 4.27时，采用洛伦兹函数进行拟合，如图4中红色数据标记.当4.27 <VGS ≤ 4.37时，采用数理逻辑函数进行拟合，如图4中绿色数据标记.当4.37<VGS<4.45时，采用多项式函数进行拟合，如图4中紫色数据标记.当VGS≥4.45时，采用E指数函数进行拟合，如图4中黄色数据标记.以上四段拟合度均达到99%以上.
3 激光发生器驱动性能实验
3.1 最窄脉宽驱动电流实验
采用阻值为2 Ω的QCL假负载作为驱动对象，测试结果如图5所示，其中，驱动脉冲宽度为15 ns，驱动电流为9 A.
图5 驱动脉冲波形图(2 Ω假负载)
Fig.5 Driving pulse waveform(2 Ω pseudo load)
3.2 电流稳定性能实验
为了测试激光发生器驱动电流稳定性能，采用与QCL特性一致的负载作为被驱动对象，负载阻值为2～20 Ω.驱动电流设定值为10 A，脉冲宽度为15 ns，得到驱动电流真实值、脉宽持续时间以及上升/下降时间，测试结果如图6所示.
由图6a可知，10次驱动电流平均值为10.000 3 A，与平均值相比最大偏差值为10.000 7 A，因此，驱动电流稳定性优于4.0×10-5.由图6b可知，10次脉冲持续时间平均值为4.775 ns，与平均值相比最大偏差值为4.785 ns，因此，脉冲持续时间稳定度优于2.0×10-3.由图6c可知，0次上升/下降沿时间平均值为5.737 ns，与平均值相比最大偏差值为5.742 ns，因此，上升/下降沿时间稳定度优于1.0×10-3.
图6 驱动脉冲测试结果
Fig.6 Driving pulse test results
3.3 QCL驱动测试
采用发光波长为7.5 μm的中红外QCL作为负载，驱动周期为200 μs，脉冲宽度为 2 μs，测试结果如图7所示.
图7 QCL功率曲线图
Fig.7 Power curve of QCL
当驱动电流增至1 000 mA时，QCL开始发光.当驱动电流达到1 700 mA时，QCL激射功率达到顶峰.随着驱动电流继续增加，QCL发光功率开始降低.
采用红外傅里叶光谱仪对QCL激射光谱进行测量，结果如图8所示.
图8 QCL发光光谱
Fig.8 Luminescence spectrum of QCL
实验中驱动周期为200 μs，脉冲宽度为2 μs，驱动电流为1.4 A.通过调节QCL工作温度来控制其发光波长.
4 结 论
采用DSP和模拟PID控制技术所研制的激光供电发生器能够长时间(大于100 h)驱动QCL.本激光供电发生器最窄驱动脉冲宽度为15 ns，峰值驱动电流为20 A，脉冲上升/下降时间小于5 ns，为高压电气设备监测装置在电网中的稳定运行提供保障.
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