典型开关高压直流电源示意
目前,世界各国正在大力研制开发新型高压高频电源,包含新的电源理论、新型模块化电路、新型电子器件等,以满足电子设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。
3 高压直流电源发展中的问题和难点
随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现,并不断地被应用于开关电源,使得开关电源的性能不断提高,特点不断更新,出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。现代的高压开关直流电源有两大技术非凡突出。
(1)要害功率新部件的应用:
①快速转换器件,像晶体管、功率MOSFETS、IGBTS、SCRS等;
②低功耗、高性能,适用于高频的新型变压器铁心材料的应用,比如铁氧体、非晶材料等;
③低耗散因素的大容量电容的发展和应用;
④低前向电压降的快速整流器应用等。
(2)先进变换技术的发展:
①零电流串联和并联谐振开关技术(即ZCS);
②零电压LCC谐振逆变技术(即ZVS);
③软开关和相控谐振技术;
④正反激励和推挽逆变器技术。
(3)伴随着高新技术的逐步应用,新的技术问题也随之出现,主要表现在高频化可以提高电源性能,减少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存,出现了新的技术难点:
①高频高压变压器体积减小,频率升高,分布容抗变小,绝缘问题异常突出;
②大的电压变化比使变压器的非线性严重化,漏感和分布电容都增加,使其必须与逆变开关隔离,否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作,甚至会击穿功率器件;
③高频化导致变压器的趋肤效应增强,使变压器效率降低。
鉴于上述情况,高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。最近出现的平面变压器在设计理念上不同于传统的设计方式,普通平面变压器已经投入生产和应用,假如高频高压变压器也能平面化,将会再次大大缩小电源体积,提高其工作效率。
(4)由于高压电源的频率很高,导致功率开关器件开断频繁,能耗增大,这就对逆变器的拓扑结构应有所选择。采用软开关和同步整流技术,可有效降低伴随高频化带来的损耗。同时采用逆变器和准谐振电路相结合的技术,通过电压或电流的谐振,使开关打开或断开时电压或电流为零,使能耗大大减小。为了减少变压器漏感的不利影响,可以将变压器漏感作为逆变器的一部分,即逆变--谐振--变压器漏感,用一体化思想进行整体设计。
(5)在控制检测部分,高频高压开关电源采用了数字集成电路(IC),而不像线性电源完全是模拟电路。开关电源以模拟方式控制输出电压,以数字方式进行开关操作,高精度而稳定地输出电压。采用数字控制技术,可进行连续和不连续模式的转换,采用PWM(脉宽调制技术)和PFM(频率调制技术),和DC-DC(直流--直流)变换器、逆变器等技术,出现了强电弱电间的相互影响加强。检测部位的高压电压(近10kV),对后续的电子元器件(精密电阻等)提出了更高的性能要求