特許 6599559 可変入力電圧及び可変ダイオードストリング電圧を用いるレーザダイオードドライバ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6599559

(24)【登録日】2019年10月11日

(45)【発行日】2019年10月30日

(54)【発明の名称】可変入力電圧及び可変ダイオードストリング電圧を用いるレーザダイオードドライバ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/042 20060101AFI20191021BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20191021BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20191021BHJP

   H01S 3/0941 20060101ALI20191021BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/042 630

   H02M3/28 QZAB

   H02M3/155 R

   H01S3/0941

【請求項の数】9

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-529150(P2018-529150)

(86)(22)【出願日】2016年10月4日

(65)【公表番号】特表2018-538695(P2018-538695A)

(43)【公表日】2018年12月27日

(86)【国際出願番号】US2016055248

(87)【国際公開番号】WO2017099872

(87)【国際公開日】20170615

【審査請求日】2018年6月5日

(31)【優先権主張番号】14/960,515

(32)【優先日】2015年12月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】スティフラー，ローバート エフ．

(72)【発明者】

【氏名】オルティス，ジョー エー．

(72)【発明者】

【氏名】トッド，フィリップ シー．

(72)【発明者】

【氏名】レイザー，ジェームズ

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２６８０２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２９１５１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０００−１１６１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１１６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２１７２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４４６７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続的なドライバ信号を生成するように互いに並列に接続された、複数のカスケード接続されたダイオードドライバと、
前記複数のダイオードドライバと信号通信するポンプ源であり、前記連続的なドライバ信号に応答して放射エネルギーを生成するように構成されたポンプ源と、
前記ポンプ源から下流に配置されたレーザ素子であり、前記放射エネルギーによる刺激に応答してレーザビームを生成するように構成されたレーザ素子と、
前記複数のダイオードドライバと信号通信する電子的なコントローラであり、前記複数のダイオードドライバを固定周波数で動作させる少なくとも１つのドライバ信号を出力するように構成されたコントローラと
を有し、
前記少なくとも１つのドライバ信号は、前記複数のダイオードドライバのうちの第１のカスケードダイオードドライバを、前記複数のダイオードドライバのうちの第２のカスケードダイオードドライバに対して９０度の位相ずれで動作させ、
各ダイオードドライバが、
入力電源と信号通信して、入力電圧を、調整された出力信号へと変換するバックレギュレータ回路と、
前記バックレギュレータ回路及び前記コントローラと信号通信して前記固定周波数で動作する絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータであり、共振周波数又はその近傍で動作する共振タンク回路を含む絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータと
を有し、
前記バックレギュレータ回路は、
前記入力電源と信号通信する複数のスイッチを含むスイッチングユニットであり、第１の電圧を有する前記入力電圧を、各絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータに供給される前記調整された出力信号へと変換するように構成されたスイッチングユニットと、
前記スイッチングユニットのスイッチング損失を低減させるように、前記スイッチングユニットからのエネルギーを吸収するように構成されたエネルギーリサイクルユニットと
を有し、
前記エネルギーリサイクルユニットは更に、
スイッチ作動イベントに応答して、前記スイッチングユニットを流れる電流の上昇を制御するように、前記スイッチングユニットに印加される全電圧を吸収するように構成されたターンオンスナバ回路と、
スイッチ作動解除イベントに応答して、前記スイッチングユニット及び前記ターンオンスナバ回路から電流を受け取るように構成されたターンオフスナバ回路と
を有する、
高出力レーザシステム。

【請求項2】

前記コントローラは、前記スイッチングユニット内の前記スイッチを固定周波数で交番的に作動させるレギュレータスイッチ制御信号を生成する、請求項１に記載の高出力レーザシステム。

【請求項3】

前記絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記バックレギュレータ回路に接続され、前記調整された出力信号に基づいて、前記入力電圧と振幅において略等しい電圧の矩形波を生成するスイッチングユニットと、
前記矩形波を、整流された矩形波へと変換する整流回路と
を有し、
前記共振タンク回路は、前記共振タンク回路によって規定される前記共振周波数で該スイッチングユニットを動作させるように、該スイッチングユニットと該整流回路との間に接続される、
請求項１に記載の高出力レーザシステム。

【請求項4】

前記共振タンク回路は、共振インダクタと直列に接続されて前記共振周波数を規定する共振キャパシタを含むＬＣ共振タンク回路である、請求項３に記載の高出力レーザシステム。

【請求項5】

前記絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ内の前記スイッチングユニットは、フルブリッジスイッチングユニットを画成するように接続された複数の半導体スイッチを含む、請求項３に記載の高出力レーザシステム。

【請求項6】

前記整流回路は、全波整流器を形成するように接続された複数のダイオードを含む、請求項３に記載の高出力レーザシステム。

【請求項7】

高出力レーザシステムを制御する方法であって、
互いに並列に接続された、複数のカスケード接続されたダイオードドライバにより、連続的なドライバ信号を生成することと、
コントローラにより、前記複数のダイオードドライバを固定周波数で動作させることと
を有し、
前記複数のダイオードドライバのうちの第１のカスケードダイオードドライバが、前記複数のダイオードドライバのうちの第２のカスケードダイオードドライバに対して９０度の位相ずれで作動され、
各ダイオードドライバが、
入力電源と信号通信して、入力電圧を、調整された出力信号へと変換するバックレギュレータ回路と、
前記バックレギュレータ回路及び前記コントローラと信号通信して前記固定周波数で動作する絶縁共振ＤＣ−ＤＣコンバータであり、当該絶縁共振ＤＣ−ＤＣコンバータを共振周波数で動作させる共振タンク回路を含む絶縁共振ＤＣ−ＤＣコンバータと
を有し、
当該方法は更に、
スイッチングユニットにより、第１の電圧を有する前記入力電圧を、各絶縁共振ＤＣ−ＤＣコンバータに供給される前記調整された出力信号へと変換することと、
前記スイッチングユニットのスイッチング損失を低減させるように、前記スイッチングユニットからのエネルギーを吸収することと、
を更に有し、
前記エネルギーを吸収することは更に、
スイッチ作動イベントに応答して、ターンオンスナバ回路により、電流の上昇を制御するように、前記スイッチングユニットに印加される全電圧を吸収することと、
スイッチ作動解除イベントに応答して、ターンオフスナバ回路により、前記スイッチングユニット及び前記ターンオンスナバ回路に蓄えられたエネルギーを受け取ることと
を有する、
方法。

【請求項8】

前記スイッチングユニット内のスイッチを固定周波数で交番的に作動させること、を更に有する請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記調整された出力信号に基づいて、前記入力電圧と振幅において略等しい電圧を有する矩形波を生成することと、
前記矩形波を、整流された矩形波へと変換することと、
前記絶縁共振ＤＣ−ＤＣコンバータ内のスイッチングユニットを前記共振周波数で動作させることと、
を更に有する請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して高出力（ハイパワー）レーザシステムに関し、より具体的には、高出力レーザシステムに含まれるダイオードドライバに関する。

【背景技術】

【0002】

伝統的な高出力ソリッドステートレーザは典型的に、マスタ発振器（マスタオシレータ）／電力増幅器（パワーアンプ）（ＭＯＰＡ）構成にて、単一及び複数の並列レーザ増幅器ビームラインを使用する。ＭＯＰＡ構成は、複数の大きくて比較的低利得のレーザ増幅器を含む。各レーザ電力増幅器が、例えばレーザ結晶素子などの主レーザ媒質を光励起する単一又は複数のレーザダイオードストリング（レーザポンプアレイとしても知られる）に、調整（レギュレート）された電流を供給するダイオードドライバを含む。

【0003】

従来のダイオードドライバ回路は、複数の利得段の各々がダイオードストリングの長さの違い、すなわち、異なる数のレーザダイオードが直列に接続されること、を必要とすることを所与として、各利得段に対して固有に設計されている。例えば、平面（プレーナ）導波路（ＰＷＧ）レーザシステムは典型的に、ＭＯＰＡアーキテクチャにおいて１つの高利得増幅器を必要とするのみである。しかしながら、陸域、海域、空域、及び宇宙領域にまたがる用途は、広範囲の入力ライン電圧を有し、その上、広範囲の出力パワーをも要求する。

【0004】

さらに、高出力レーザシステムで使用されるレーザダイオード（すなわち、ポンプアレイ）は典型的に、互いに直列に配線され、システムコスト全体のかなりの部分を表す。その結果、システムが例えば回路短絡などの故障状態に陥る場合に、多数のレーザダイオードが破壊されてしまい得る。

【発明の概要】

【0005】

一実施形態によれば、高出力レーザシステムは、複数のカスケード接続されたダイオードドライバと、ポンプ源と、レーザ素子とを含む。ダイオードドライバは、連続的なドライバ信号を生成するように構成される。ポンプ源は、上記連続的なドライバ信号に応答して放射エネルギーを生成するように構成される。レーザ素子は、ポンプ源から下流に配置され、上記放射エネルギーによる刺激に応答してレーザビームを生成するように構成される。高出力レーザシステムは更に、上記複数のダイオードドライバを固定周波数で動作させる少なくとも１つのドライバ信号を出力するように構成された電子的なコントローラを含む。上記少なくとも１つのドライバ信号は、上記複数のダイオードドライバのうちの第１のカスケードダイオードドライバを、上記複数のダイオードドライバのうちの第２のカスケードダイオードドライバに対して９０度の位相ずれで動作させる。

【0006】

他の一実施形態によれば、高出力レーザシステムを制御する方法は、互いに並列に接続された、複数のカスケード接続されたダイオードドライバにより、連続的なドライバ信号を生成することと、上記複数のダイオードドライバを固定周波数で動作させることとを有する。当該方法は更に、上記複数のダイオードドライバのうちの第１のカスケードダイオードドライバを、上記複数のダイオードドライバのうちの第２のカスケードダイオードドライバに対して９０度の位相ずれで動作させることを含む。

【0007】

更なる特徴が、本発明の技術を通じて実現される。本発明の他の実施形態及び特徴が、ここに詳細に記載され、特許請求される発明の一部と見なされる。これらの特徴を持つ本発明のより十分な理解のため、明細書及び図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

より完全なる本開示の理解のため、ここで、同様の要素を似通った参照符号が表す添付図面及び詳細な説明とともに、以下の簡単な説明を参照する。

【図1】非限定的な一実施形態に従った高出力レーザシステムのブロック図である。

【図2】図１の高出力レーザシステム用にダイオードドライバによって生成される電流信号の波形を例示するグラフである。

【図3】非限定的な一実施形態に従った高出力レーザシステム用のダイオードドライバに含まれるバックレギュレータ回路の概略図である。

【図4】非限定的な一実施形態に従った高出力レーザシステム用のダイオードドライバに含まれる直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の様々な実施形態は、広いストリング電圧範囲にわたってレーザダイオードアレイを駆動する可変入力電圧を有するダイオードドライバを含む高出力レーザシステムを提供する。少なくとも１つの非限定的な実施形態によれば、高出力レーザシステムは、複数のカスケード接続された電力変換器を含む。各電力変換器は、独立した直列共振（series resonant；ＳＲ）ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動するバック（ｂｕｃｋ）レギュレータ回路を含む。このバックレギュレータは、大部分の制御を提供し、出力の電流及び電圧をフィルタリングするＬＣ出力フィルタ回路を含む。少なくとも１つの実施形態によれば、このバックレギュレータ回路は、伝統的なバックレギュレータ回路によって経験されるスイッチング損失を排除するターンオンスナバ回路及びターンオフスナバ回路を含む。さらに、互いに対して９０°の位相ずれで動作する複数のバックレギュレータ回路を使用することは、フィルタインダクタのサイズが最小化されるという特徴を提供する。何故なら、ＬＣフィルタにおけるリップル電流が互いに打ち消し合う傾向があり、それにより、同量のリップル除去に関してＬＣフィルタをより小さくすることが可能になるからである。

【0010】

独立した直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータは、互いに並列に接続され、固定周波数で駆動される。しかしながら、独立した直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータは各々、互いに対して９０°の位相ずれで動作する。従って、電力変換器出力キャパシタのサイズを最小化することができる。さらに、各電力変換器を、互いに対して個別に最適化することができる。斯くして、各ＤＣ−ＤＣコンバータに含まれる絶縁（アイソレート）されたコンバータ出力キャパシタ及びコンバータ出力フィルタインダクタのサイズを最小化しながら、なおも、高出力レーザシステムの全体的な電力効率が最大化される。故に、少なくとも１つの実施形態に従った高出力レーザシステムは、例えばおよそ３００ボルトＤＣ（ＶＤＣ）からおよそ１０００ＶＤＣまでといった範囲に及ぶ広い入力電圧を受け取って、９５％より高い電力効率で、４０Ｗ／ｉｎ^３より高い電力密度で、３４キロワット（ｋＷ）より高い電力を連続的に出力することが可能なダイオードドライバを含む。さらに、少なくとも１つの非限定的な実施形態に従ったダイオードドライバは、なおも入力−出力アイソレーション及び３μＦ以下の出力キャパシタンスを提供しながら、２００Ａに至る連続的な電流を生成して、２６０ＶＤＣに至る異なるスタック電圧を駆動することができる。

【0011】

ここで図１を参照するに、非限定的な一実施形態に従った高出力レーザシステム１００が示されている。高出力レーザシステム１００は、複数のカスケード接続されたダイオードドライバ１０２ａ−１０２ｂと、ポンプ源１０４（すなわち、互いに直列に接続された複数のダイオード）と、レーザ素子１０６とを含んでいる。電源１０８が、可変入力電圧をダイオードドライバ１０２に提供する。入力電圧は、例えば、およそ３００ＶＤＣからおよそ１０００ＶＤＣまでの広い範囲にわたって変化し得る。各ダイオードドライバ１０２ａ−１０２ｂは、電子的なダイオードドライバコントローラ１１０と信号通信する。斯くして、ダイオードドライバコントローラ１１０は、個々のダイオードドライバ１０２ａ−１０２ｂを互いに独立に動作させることができる。このダイオードドライバは、二段（ツーステージ）ドライバとして構成されている。第１ステージは、同期バックレギュレータ回路１０５ａ−１０５ｂを含み、第２ステージは、絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ａ−１０７ｂを含んでいる。同期バックレギュレータ回路１０５ａ−１０５ｂは、スイッチングが生じる前に電圧又は電流が基本的にゼロになるようにゼロ電流スイッチングを提供する。斯くして、電圧と電流との間の重なりが排除されて、スイッチング損失が低減される。直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ａ−１０７ｂは、例えば、フルブリッジセンタータップ型整流器などの整流回路と、ターンオンスナバ回路及びターンオフスナバ回路（図１には示さず）の組み合わせとを含んでおり、更に詳細に後述するようにエネルギーをリサイクルする。

【0012】

非限定的な一実施形態によれば、ダイオードドライバコントローラ１１０は、第１及び第２のダイオードドライバ１０２ａ−１０２ｂを固定周波数で駆動するとともに、これらダイオードドライバ１０２ａ−１０２ｂを互いに位相をずらして動作させるように、１つ以上のドライバ制御信号１１２ａ−１１２ｂを生成するように構成される。例えば、各ダイオードドライバ１０２ａ−１０２ｂを通るエネルギーの流れは、例えば、およそ０ボルトからおよそ２５０ボルトまでの範囲の振幅を持つ整流された正弦波である。通常、これは、出力へのエネルギーの流れを平滑化するために大きい出力キャパシタを必要とする。従来のレーザダイオードドライバは典型的に、大きい出力キャパシタンスを使用しており、それ故に、ポンプ源１０４（例えば、レーザダイオードアレイ）における故障は、多量の蓄積エネルギーがレーザダイオードストリングにダンプされることをもたらさずに、カスケード故障をもたらすことになる。本開示の少なくとも１つの実施形態は、この問題を、第１のダイオードドライバ（例えば、１０２ａ）と並列に、且つ直交に、すなわち、９０°の位相ずれで動作する第２の固定周波数ダイオードドライバ（例えば、１０２ｂ）を設けることによって解決する。

【0013】

ポンプ源１０４は、直流出力駆動信号１１４を受け取るように１０２ａ−１０２ｂと信号通信する。ポンプ源１０４は、例えば、所定の波長を持つ電磁放射線を放出するように構成された１つ以上のレーザダイオード（図示せず）を含む。この波長は、例えばおよそ９００ナノメートル（ｎｍ）から１０００ｎｍまでの範囲とすることができる。非限定的な一実施形態によれば、ポンプ源１０４は、互いに直並列接続されてレーザダイオードアレイを形成する複数のレーザダイオードを含む。レーザダイオードアレイ１０４は、出力駆動信号１１４を受け取るとともに、レーザ素子１０６によって受け取られるレーザ光を生成する。レーザ素子１０６は、以下に限定されないが、ドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）結晶レーザ素子を含む様々な種類の活性レージング媒質を含み得る。使用において、ポンプ源１０４は、レーザ素子１０６に向けられる放射エネルギー１１６を放つ。この電磁放射が、レーザ素子のコアを、より高い状態へとポンプして、高出力化されたレーザビーム１１８を出力するようにする。

【0014】

図２を参照するに、図１の高出力ダイオードドライバによって生成される電流信号の波形を、グラフが示している。各絶縁直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ａ−１０７ｂ整流回路４０４からの出力電流が示されている。例えば、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ａの出力が“出力電流Ａ”として指定され、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ｂの出力が“出力電流Ｂ”として指定される。上述のように、各ＤＣ−ＤＣコンバータは整流器を含むことができ、従って、“出力電流Ａ”及び“出力電流Ｂ”は、整流された電流として示される。特に、図２に示す例において、これらの電流は完全に整流されている。図２に示すように、第１及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ａ−１０７ｂは、直交（すなわち、９０度の位相ずれで）動作する。第１及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０７ａ−１０７ｂは互いに対して直交して動作するので、一方の波形の谷２００が他方の波形の山２０２と対になる。これは、出力キャパシタへの遥かに均一且つ連続的な電流の流れ（図２にて“結合出力電流”と指定）をもたらす。残存するリップル電流を除去するために、小さい値のキャパシタンスのみが必要とされ、それにより、蓄積エネルギーの値が、ポンプ源１０４（例えば、レーザダイオードアレイ）が吸収できるのに十分な低さの値に保たれる。斯くして、例えば回路短絡などの故障の場合に、ポンプ源１０４に含まれるレーザダイオードを保護することができる。

【0015】

次に図３を参照するに、非限定的な一実施形態に従った、高出力レーザシステム１００に含まれるバックレギュレータ回路１０５が、更に詳細に示されている。バックレギュレータ回路１０５は、スイッチング回路３００と、ターンオンスナバ回路３０２と、ターンオフスナバ回路３０４と、出力フィルタ回路３０６とを含んでいる。スイッチング回路３００は、入力電源１０８と信号通信して入力電源電圧を受け取るとともに、コントローラ１１０と信号通信して１つ以上のスイッチ制御信号３１０ａ−３１０ｂを受信する。非限定的な一実施形態によれば、このスイッチングユニットは、第１の半導体スイッチ３１２ａ及び第２の半導体スイッチ３１２ｂを含んでいる。コントローラ１１０は、スイッチ３１２ａ−３１２ｂが、例えば固定周波数（例えば、およそ１００ｋＨｚ）で、交互にアクティブにされるように、スイッチ制御信号３１０ａ−３１０ｂを生成する。スイッチ３１２ａ−３１２ｂのデューティサイクル（又はデューティファクタ）は、第１のスイッチ（例えば、スイッチ３１２ａ）がアクティブにされる時間をスイッチングサイクルの周期で割った比として定義されることができる。デューティファクタに入力電圧３０８を乗じたものが、例えばＬＣフィルタとして構成されるものである出力フィルタ３０６から出力される電圧３１４に略等しい。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７は、更に詳細に後述するように、入力電圧３０８を降圧し、ＬＣバックフィルタ３０６からそれぞれの直列ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７に、調整された出力信号３１４（例えば、調整された電圧又は電流）を出力する。

【0016】

ターンオンスナバ３０２とターンオフスナバ３０４との組み合わせは、バックレギュレータ回路内のエネルギーリサイクルユニットを提供する。ターンオンスナバ３０２は、第１のスナバインダクタ３１６と、第１のスナバキャパシタ３１８と、第１のスナバダイオード３２０とを含むＬＣＤスナバとして構成されている。第１のスナバインダクタ３１６は、入力電圧３０８に接続された第１端と、第１のスイッチ３１２ａのドレインに接続された第２端とを含んでいる。第１のスナバキャパシタ３１８は、入力電圧３０８と第１のスナバインダクタ３１６の第１端とに接続された第１端を含んでいる。第１のスナバキャパシタ３１８の第２端は、スナバダイオード３２０のカソードに接続されている。第１のスナバダイオード３２０のアノードは、第１のスナバインダクタ３１６の第２端と第１のスイッチ３１２ａのドレインとに接続されている。

【0017】

ターンオフスナバ３０４は、スイッチングレギュレータ回路３００及びターンオンスナバ３０２の双方と信号通信し、また、第１のスイッチ３１２ａがオフに切り換えられるときの第１のスイッチ３１２ａと第２のスイッチ３１２ｂとの間の電圧変化のレートを制御するための電圧レギュレータキャパシタとダイオードとの組み合わせを含んでいる。より具体的には、ターンオフスナバ３０４は、第２のスナバキャパシタ３２２、第２のスナバダイオード３２４、第２のスナバインダクタ３２６、第３のスナバキャパシタ３２８、第３のスナバダイオード３３０、及び第４のスナバダイオード３３２を含んでいる。第２のスナバキャパシタ３２２は、第１のスナバインダクタ３１６の第２端と、第１のスナバダイオード３２０のアノードと、第１のスイッチ３１２ａのドレインとに接続された第１端を含んでいる。第２のスナバキャパシタ３２２の第２端は、第２のスナバダイオード３２４のアノードと、第２のスナバインダクタ３２６の第１端とに接続されている。

【0018】

第２のスナバダイオード３２４のカソードは、第３のスナバキャパシタ３２８の第１端と、第１のスイッチ３１２ａのソース及び第２のスイッチ３１２ｂのドレインによって共有される共有ノードとに接続されている。第３のスナバダイオード３３０のアノードは、第３のスナバキャパシタ３２８の第２端と、第４のスナバダイオード３３２のカソードとに接続され、第３のスナバダイオード３３０のカソードは、第２のスナバインダクタ３２６の第２端に接続されている。

【0019】

動作において、第１のスナバインダクタ３１６は、スイッチ作動イベントに応答して（例えば、スイッチ３１２ａがオンに切り換えられるとき）、さもなければ第１のスイッチ３１２ａにかかって存在することになる全電圧（例えば、２０００ボルト）を吸収し、電流の上昇を制御する。電流が出力における電流と同じレベルに達すると、第１のスナバインダクタ３１６にかかる電圧は基本的にゼロになる。

【0020】

スイッチングが第１のスイッチ３１２ａから第２のスイッチ３１２ｂへと交番するとき（例えば、第１のスイッチ３１２ａがターンオフされるときのスイッチ作動解除イベント）、第１のスナバインダクタ３１６に蓄えられた電流及び第１のスイッチ３１２ａに残っている電流が、ターンオフスナバ３０４へと迂回される。斯くして、電圧が変化している間、無視できる電流のみをスイッチ内に生成するように、電流を第２及び第３のスナバキャパシタ３２２／３２８（第２及び第３のスナバキャパシタ３２２／３２８がそれらの蓄積エネルギーの充電及び放電を交互に行う）へと迂回させて転送し、それにより、エネルギーをリサイクルすることによって、スイッチ損失が実質的に低減される。

【0021】

図４を参照するに、高出力レーザシステム１００に含まれる直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７が例示されている。非限定的な一実施形態によれば、直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７が、固定周波数直列共振アイソレーション段として構成される。各直列共振ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７は、スイッチングユニット４００と、直列共振回路４０２と、整流回路４０４と、出力フィルタ４０６とを含む。スイッチングユニット４００は、フルブリッジとして構成された複数のスイッチを含んでおり、該複数のスイッチは、共振周波数を達成するように、直列共振回路４０２の共振周波数（例えば、５０ｋＨｚ）に略等しい固定周波数で動作される。フルブリッジスイッチングユニット４００は、第１ハーフスイッチ４０８ａ−４０８ｂを含む第１の半分部分と、第２ハーフスイッチ４０８ｃ−４０８ｄを含む第２の半分部分とを有している。スイッチ４０８ａ−４０８ｄは各々、コントローラ１１０（図４には示さず）によって生成される例えば矩形波などの駆動信号に従って駆動される。非限定的な一実施形態によれば、コントローラ１１０は、１つの第１ハーフスイッチ４０８ａ及び１つの第２ハーフスイッチ４０８ｄを駆動する第１の駆動信号４１０ａと、残りの第１ハーフスイッチ４０８ｂ及び残りの第２ハーフスイッチ４０８ｃを駆動する第２の駆動信号４１０ｂとを生成する。しかしながら、第１の駆動信号４１０ａは、第２の駆動信号４１０ｂに対して位相が１８０度ずれている。従って、スイッチ４０８ａ及び４０８ｄがオンに切り換えられるときには、スイッチ４０８ｂ及び４０８ｃがオフに切り換えられ、その逆もまた然りである。フルブリッジスイッチ構成が記載されているが、理解されるべきことには、そのスイッチングユニットが固定周波数で動作される限り、他のスイッチングトポロジが実装されてもよい。

【0022】

整流回路４０４は、直列共振回路４０２を介してスイッチングユニット４００に接続されている。非限定的な一実施形態によれば、整流回路４０４は、全波中心タップ型整流器として構成される。しかしながら、理解されるべきことには、例えば、フルブリッジ整流器を含め、他のタイプの全波整流器トポロジが実装されてもよい。また、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な異なる巻線トポロジが実装され得る。

【0023】

整流回路４０４は、直列共振回路４０２の出力に接続された一次巻線と、出力フィルタ４０６に接続された中心タップ付きの一対の二次巻線とを有する変圧器４１２を含んでいる。直列共振回路４０２は、ＬＣ共振器４０２として、すなわち、共振インダクタ４０３と直列に接続された共振キャパシタ４０１を含む共振タンク回路４０２として構成されている。共振キャパシタ４０１及び共振インダクタ４０３の値は、スイッチ４０８ａ−４０８ｄのスイッチング周波数をスイッチング周波数に一致させるように選定される。

【0024】

出力フィルタ４０６は、変圧器フィルタ４０６の入力における電圧を略一定の値に維持する出力キャパシタ（図示せず）を含むＬＣフィルタとして構成される。結果として、整流回路４０４に含まれる変圧器４１２は矩形波を実現する。変圧器４１２を通る電流は、近似的に、直列共振回路４０２によって生成される正弦波である。斯くして、インダクタ４１４を通った出力電圧及び電流が、レーザダイオードアレイを駆動するようにポンプ源１０４に提供されて、高出力レーザビーム１１８を生成するようにレーザ素子１０６を誘起する。

【0025】

動作において、スイッチ４０８ａ−４０８ｄは、振幅が入力電圧に等しい矩形波電圧を作り出す。スイッチングユニット４００によって生成された矩形波が、直列共振回路４０２に入力され、最終的に変圧器４１２の一次巻線に印加される。スイッチ４０８ａ−４０８ｄは対（ペア）で動作される。例えば、スイッチ４０８ａ及び４０８ｄは同時に導通するが、スイッチ４０８ｂ及び４０８ｃ（これらも同時に導通する）とは１８０度位相を互い違いにする。スイッチ４０８ａ−４０８ｄを通る電流波形は半波正弦波である。従って、各ペアのスイッチ（すなわち、４０８ａ／４０８ｄ、及び４０８ｂ／４０８ｃ）は、スイッチング周波数が直列共振回路の共振周波数に等しいので、ゼロ電流でターンオン又はターンオフする。この動作モードは、スイッチング損失が実質的に排除されていて導通損失のみが存在するので、スイッチに最低レベルの損失のみをもたらす。

【0026】

直列共振回路４０２を通るエネルギーの流れは正弦波であり、故に、一定ではない。結果として、従来のダイオードドライバは典型的に、出力へのエネルギーの流れを平滑化するために大きい出力キャパシタを必要とする。しかしながら、本開示の少なくとも１つの実施形態は、複数のカスケード接続されたダイオードドライバを含む高出力レーザシステム１００を提供する。斯くして、第１の固定周波数直列共振コンバータが、第２の固定周波数直列共振コンバータと、並列に、且つ直交に、すなわち９０°の位相ずれで動作する。従って、残存するリップル電流を除去するために、小さい値のキャパシタンスのみが必要とされ、それにより、故障の場合の損傷なく、蓄積エネルギーの値がポンプ源１０４（例えば、レーザダイオードアレイ）によって吸収されるのに十分な低さの値に保たれる。

【0027】

以下の請求項中の全てのミーンズ・プラス・ファンクション要素又はステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造、材料、動作、及び均等物は、具体的にクレーム記載される他のクレーム要素と組み合わさってその機能を実行する如何なる構造、材料、又は動作をも含むことが意図される。本発明の記述は、例示及び説明の目的で提示されており、網羅的であること又は開示された形態での発明に限定されることは意図されていない。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、数多くの変更及び変形が当業者に明らかになる。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最もよく説明するために、及び当業者が、企図される特定の用途に適した様々な変更とともに様々な実施形態に関して本発明を理解することを可能にするために、選択されて記述されている。

【0028】

本発明の好適実施形態について記述したが、理解されるように、当業者は、現時及び将来の双方において、以下に続く請求項の範囲に入る様々な改善及び改良を為し得る。これらの請求項は、最初に記載された発明に対する適正な保護を維持するように解釈されるべきである。

【0029】

ここに記載された回路及び方法の動作を実行するために、様々なハードウェアコントローラが実装され得る。ハードウェアコントローラは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、マイクロプロセッサ、１つ以上のソフトウェア若しくはファームウェアプログラムを実行するコンピュータプロセッサ（共有、専用、若しくはグループ）及びメモリ、組み合わせ論理回路、様々な入力及び出力を含むマイクロコントローラ、及び／又は、記載された機能を提供するその他の好適コンポーネントを含むことができる。１つ以上のコントローラはまた、コンポーネント又はシステムを制御する１つ以上の信号を生成するために、様々なアルゴリズム、変換、及び／又は論理プロセスを実行するように構成される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】