一种激光脉冲驱动电源及微波/激光一体化传输架构

本发明涉及电力电子技术，公开一种交错并联buck型激光脉冲电流源电路以及一体化微波/激光传能架构，可以实现激光/微波协同传输架构中激光二极管的高速调制与大功率驱动，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、激光具有能量密度高、方向性好、传输距离远和发射接收口径小等优点，可为飞行器和航天器等移动装备提供灵活自由的无线供能方式。但是，激光只适合为单一装备进行快速供电。而微波利用电磁波相干特性，可实现能量在自由空间的多点聚焦，尽管其收发天线体积较大，但具有传输功率较大、受气候影响小、传输距离远等优点，可实现点对域的全覆盖实时无线传能。因此，借鉴微波光子技术利用微波和光子互补特性提升系统探测和通信性能的思想，利用光波与微波不同的传能特点，实现微波/激光一体化互补传能，从而可以覆盖不同空间尺度下不同负载对不同功率的需求。

2、从能量传输的角度来看，微波光子领域的主要载体微波和激光本质上是一种携带能量的自由空间电磁波。相比于目前常见的磁耦合无线电能传输方式，微波和激光更适合作为广域无线电能传输的载体。同时，由于激光高能量密度、高定向性与微波高穿透性、多波束聚焦等差异化特征，可以实现不同功率等级、不同传输距离和不同负载特性协同互补的无线能量传输，从而可在复杂战场环境下针对不同装备用电需求，实现点对点和点对域的全覆盖实时无线传能，例如，激光可为高速机动无人机进行点对点的无线传能，微波可为无人机蜂群进行点对域的无线传能。

3、随着激光无线传能技术的发展，出现了许多注重功率传输的激光能信一体化传输系统，系统传输功率已跃升至瓦级，但信息传输速度往往不高。根据目前对激光无线电能传输系统的效率特性分析可知，当平均传输功率相同时，激光以脉冲形式传输时的效率高于连续光传输的效率，因此可以采用脉冲激光的形式实现激光传能系统的能信一体化传输。然而，这一方式在大功率传输场景下面临一些瓶颈，一方面激光器为电流驱动型器件，采用脉冲形式驱动时，单个脉冲需要达到较高幅值电流输出水平才能驱动大功率激光器工作；另一方面，要确保高频脉冲电流输出的稳定性，在传统buck单元中需要通过开关管反复切换才能使输出电流在高电平时维持稳定，因此mos管频率远高于脉冲频率，这种需求不仅大幅度增加了能耗，也严格限定了脉冲电流频率可提升的空间，进而限制了系统数据传输速率。因此为了进一步提高激光能信一体化传输系统的传输功率与通信速率，激光发射端需要一个驱动能力强、调制速率快的脉冲电源。

4、微波/激光一体化无线能量传输是推动无线能源局域网发展的核心技术。尽管利用微波和激光传能在物理特性上具有互补性，但是对于微波/激光一体化传能的机理和机制尚不清晰。并且目前微波或激光无线电能传输多是针对特定负载功率需求，但在微波/激光一体化场景下，负载趋于多元化，相应的功率变化范围较大，因此在多目标宽功率范围下，亟需深入探索微波/激光一体化传能架构，从而实现高效的微波/激光功率调控。

5、综上，本发明旨在提出一种激光脉冲驱动电源及一体化微波/激光传能架构，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种交错并联型buck脉冲电流源电路，将传统脉冲型buck电路中的能量回馈二极管换成大容量电容，大幅减缓部分工作模态中电感电流的下降率，使得电感电流纹波减小，输出脉冲电流更加平稳，且电源可以通过电容所在支路向负载供电，实现减小电感电流纹波并增大激光脉冲驱动电源输出电流的发明目的。在微波/激光无线传能一体化架构方面，探索微波/激光广域宽功率范围下无线传能的共性，进而提出微波/激光一体化供电电源，从而构成微波/激光无线传能一体化架构，实现功率级微波/激光的系统集成。

2、本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

3、一种激光脉冲驱动电源，其特征在于，包括：至少两重结构相同的基本buck变换单元、脉冲控制mos管及电压支撑电容；至少两重结构相同的基本buck变换单元，其输入端连接直流电压源，用于将输入的直流能量转换为电流后输出；脉冲控制mos管，其漏极连接每重基本buck变换单元的电流输出端，其源极作为负载电流输出端，用于对各重基本buck变换单元输出的电流斩波，产生脉冲电流；电压支撑电容，其一极连接直流电压源正极，其另一极连接脉冲控制mos管漏极。

4、作为一种激光脉冲驱动电源的进一步优化方案，基本buck变换单元包括：mos管、电感和续流二极管，其中，mos管漏极接直流电压源正极，mos管源极连接所述电感的一端，电感的另一端作为基本buck变换单元的电流输出端，续流二极管的阴极接连接mos管的源极，续流二极管阳极连接直流电压源负极。

5、作为一种激光脉冲驱动电源的进一步优化方案，根据第一重基本buck变换单元中mos管的开关频率与占空比以及脉冲控制管开通或关断的状态，所提拓扑在一个驱动周期内工作在四种模态下；基于电路拓扑结构对称的原理，其他重buck变换单元在一个驱动周期内也工作于四种模态下，四种模态分别为：

6、模态一：当第一重基本buck变换单元中mos管与脉冲控制mos管均导通时：输入的直流电压经电压支撑电容、各重基本buck变换单元的电感转换为负载电流后输出，直流电压源能够经过第一基本buck变换单元中的电感积累能量，并与电压支撑电容协同工作，为激光二极管提供充沛且稳定的电流供应，实现了对激光二极管的大电流驱动能力；

7、模态二：当第一重基本buck变换单元中mos管导通且脉冲控制mos管不导通时：此情况下，第一重基本buck变换单元中，电感电流经过电压支撑电容与mos管进行续流，电感电流幅值基本不变，其它各重基本buck变换单元中的电感电流流向电流输出端，这一过程确保了即使在脉冲控制mos管关断期间，电感电流也能保持相对稳定，避免了电感电流的减小；

8、模态三：当第一重基本buck变换单元中mos管与脉冲控制mos管均不导通时：此时直流电源电压会反向施加于各重基本buck变换单元中电感的两端，这通常会导致电感电流迅速衰减，然而由于并联于基本buck变换单元两端的电压支撑电容通过其储能特性，能够抵消掉部分电源反压，从而缓解了各重基本buck变换单元中电感电流下降的速度，使得电感电流得以更加平缓地下降，这一机制显著降低了输出电流中的纹波成分，提升了电流的平稳性，此外能量可以通过电压支撑电容回馈到电源，同时也提升了变换器效率；

9、模态四：当第一重基本buck变换单元中mos管关断而脉冲控制mos管导通时：若基本buck变换单元的mosfet管未被触发导通，则基本buck变换单元将切换至续流模式，此时续流二极管起作用，电感电流经过续流二极管继续流向激光二极管，维持电流供应，在此模式下，由于电压支撑电容的存在，电压支撑电容能暂时保持一个电感两端相对稳定的电压水平，从而使得电感两端的电流下降变得平缓而非骤降，这一效应显著减少了输出电流的波动，对于要求电流稳定性高的激光应用而言尤为重要，有助于提升激光输出的稳定性和光束质量，减少信号失真或噪声影响。

10、微波/激光一体化传输架构，包括：第一高频逆变器、第二高频逆变器、总线、第一变压器、第一整流电路、微波设备、第二变压器、第二整流电路、上述激光脉冲驱动电源以及激光器；第一高频逆变器，其直流侧接低压蓄电池，用于将低压蓄电池输出的直流电转换为交流电；第二高频逆变器，其直流侧接高压蓄电池，用于将高压蓄电池输出的直流电转换为交流电；总线，用于汇集所述第一高频逆变器以及第二高频逆变器交流侧输出的交流电；第一变压器，其原边绕组接入总线，用于对从总线获取的交流电压进行变换处理；第一整流电路，其交流侧连接所述第一变压器副边绕组，用于将第一变压器输出的交流电转换为脉动直流电压；微波设备，其供电端接入所述第一整流电路直流侧输出的脉动直流电压；第二变压器，其原边绕组接入总线，用于对从总线获取的交流电压进行变换处理；第二整流电路，其交流侧连接所述第二变压器副边绕组，用于将第二变压器输出的交流电转换为脉动直流电压；上激光脉冲驱动电源，其直流电压输入端接入第二整流电路直流侧输出的脉动直流电压；激光器，其电流输入端连接激光脉冲驱动电源的电流输出端，其电流输出端连接脉动直流电压的负极。

11、本发明与现有技术相比的有益效果是：

12、(1)本发明针对电-激光转换实现机制，提出一种交错并联型buck激光脉冲驱动电源，将传统buck型续流回馈二极管换成电容，使得电源能量可以双向流动，不仅起到能量回馈提高变换器效率的作用，还能通过电容所在支路向负载提供额外能量，当基本buck变换单元中的mos管开关频率比脉冲调制频率低时，电路仍然能输出稳定的高频脉冲电流，且输出电流幅值比传统交错并联电路更高，即仅通过更换基本元件就能达到提高变换器驱动能力的目的，从而提高系统传输功率等级；此外，在输出相同功率时，所发明驱动电源可以由电容支路提供部分电流，所需电感电流减小，因此驱动电源的整体体积和重量均可降低。

13、(2)由于激光器对电流稳定性要求较高，目前常采用多路交错并联的方式减小电流纹波，本发明中替代能量回馈二极管的电容不仅可以提供额外负载供电支路的作用，还能通过其储能特性在多工作模态下减小电感两端反压大小，使电感电流下降更加平缓，因此不需要通过传统控制策略中反复切换buck变换单元中mos管的方式，即可减小输出电流纹波，使得mos管频率可以降低到与脉冲频率同一水平，解除了由于mos管切换极限对脉冲调制速率的限制，提高系统信息传输速率。

14、(3)本发明提出的微波/激光无线传能一体化架构，通过所提驱动电源构建激光能量传输链路，能够实现不同功率等级、不同传输距离和不同负载特性的协同互补无线能量传输，实现功率级微波/激光的系统集成，在复杂战场环境下针对不同装备用电需求，实现点对点和点对域的全覆盖实时无线传能，以突破适用于不同无线供电方式负载的续航时间极限，实现装备“无限续航”。