高压大功率开关电源技术的分析

杨涛

摘要：随着社会各领域快速发展，对电力能源需求量越来越大，且提出了更多个性化要求，其中高压在民用、军用等领域受到了关注，使得高压供电呈现规模化趋势发展。当前，高压直流电源内容研究涉及内容较多，且取得了良好的成果，为实践提供了极大的支持。但针对高压大功率开关电源技术的研究尚处于空白，有待进一步完善。文章梳理了开关电源发展，并结合当前高压大功率开关电源设计难点探讨开关电源的设计，最后以实际应用情况进一步验证了开关电源技术的优势，旨在为有关领域持续发展提供更多支持。

关键词：高压；大功率；开关电源

前言

目前，高压大功率电源使用范围较广，涉及高功率激光、等离子物理等多个方面。但现用的高压大功率开关，主要利用LC谐振充电方法与高工频电压，虽然此类开关设计简单，但是其自身体积较为庞大，且稳定性不尽人意。在实践应用中，由于开关引发的故障较为常见，不仅影响实际生产持续开展，严重情况下，还会威胁到工作人员的生命安全，因此加强对高压大功率开关电源技术的研究至关重要，促使高压大功率电能综合效益有效发挥。

1、开关电源发展

开关电源规模化应用前，常见的电源主要有直流、稳流电源。在应用中，开关电源主要是将工频电压通过整流滤波、线性稳压处理后，输出纹波电压、稳定性能的直流电压。此类电源具有诸多优势，如电源稳定性、输出电压纹波较小且响应速度快。但同时也存在一些确信，如功耗大、体积大等。随着社会不断发展，各领域对于电源提出了更高的要求，为此，为了克服线性电源自身不足与缺陷，专家和学者研发了开关电源，在大功率晶体管BJT、GTR的支持下，为开关电源问世提供了极大的支持。21世纪，节能环保理念下，绿色电源得到了推广，并朝着小型化、智能化等方向转变。其中高频化趋势，能够由最初的几十kHz提升到MHz级。全数字趋势，即电源控制由模拟到全数字阶段，使得控制策略更加灵活、且具有较高保密性，为开关电源普及奠定了坚实的基础。

随着电子设备发展，越来越多行业对于大功率、高带压直流电源需求与日俱增，如医用CT机、激光打孔设备及真空管雷达等。由于传统高压电源无法满足实际需求，对此开关电源在上述领域崭露头角，并以自身电路多元等优势取到了传统方案。随着科学技术进一步发展，高压大功率开关电源将会拥有更为广阔的发展前景。

2、大功率开关设计难点

高压大功率与常规功率有所不同，对高压电源进行高频处理后，能够将开关电源体积进行压缩，且能够提高开关系统反应效率，更为关键的是避免了传统开关电源产生的噪声，能够为工人营造良好的工作环境。但针对开关电源的设计，考虑到高压大功率特点，存在诸多难点。虽然变压器体积能够有所减小，但电源开关自身具有的绝缘性却难以得到保障，对人员生命安全埋下了诸多隐患。与此同时，还会让变压器漏感、分布电容大幅度增加，当漏感一致时，高压高频变压器工作频率远高于标准，降低了功率输出。而当分布电容一致时，高频之下的电容会在原有基础下降0.02f，导致空载电流有所增加，使得电源开关发热现象明显，增加了开关运行负荷。

图1高压电源原理图

3、高压大功率开关电源设计

3.1高压电源方案选择

开关电源规模化应用前，主要以常规工频电源为主。随着各类器件发展，开关电源技术愈发成熟，得到了广泛推广。目前，开关电源功率传输核心的逆变器，主要有单管、双管等拓扑结构，本文主要采用PWM控制方式，具体原理图如图1。

当高压输入到电路当中，经过逆变器分机当中，每台逆变器都具有三相整流滤波设备，能够将交流电变为直流电，输出到各个设备当中。对于高压电源来说，控制保护电路设计是否合理直接决定电源可靠性[1]。当前，多数控制保护电路都是按照主电路技术种类配置的控制芯片，本文选择相移开关技术。该项技术开关频率高、且具有UVLO等功能。此外，针对上述设计难点，本文将对变压器进行真空浸油处理，并增加大磁芯，增强变压器绝缘性能，以此来降低分布电容产生的负面影响。由于分布电容下降，对应的漏感也会随之增加。故在设计时，要充分考虑高频高压变压器漏感较强实际情况，增加电容，以此来形成谐振变化器，赋予电压器更高的转换效率。

3.2串联谐振变换器

对于设备主电路图的设计，主要是由三相交流整流获得，形成全桥逆变器，使得变压器在应用中，能够由低压变为高压，并在整流之后，对负载电容补充电能。在电路中以串联形式，接入谐振变化器，能够确保电路稳定运行，降低分布电容，以此来提高变压器工作有效性。因此在具体设计中，要应用全桥逆变器，以此来协调电路。但任何事物都具有两面性，应用该设备，也存在一些缺点。当电路没有足够负载时，变换器会失去电压调节能力，直接影响其作用有效发挥。同时，如果设计的电路结构，是整流滤波电路，其中产生的电流流纹会增加，特别是对于低压大电流而言，该缺陷尤为突出。故在选择时，要针对具体情况，选择高压小电流环境，以此来满足实际工作需求[2]。

3.3并联谐振变换器

与串联谐振一样，在电路中以并联形式接入谐振变换器，就是并联谐振变换器。对于该结构来说，在实践应用中功能，其主要是将变压器内的分布参数整合到谐振回路当中，如果使用的变压器设计与装置符合标准，能够在很大程度上节省电容、漏感部分的设计，获取到更加便利的电路设计。相比之下，并联结构能够对电路中的电压进行调节，但其缺陷在于负载如果过轻，简而言之，就是电路中的负载电阻增加，那么电路会借助频率实现对电压的调整。随着电压的调节，电路的电流并不会随之减少，反而会增加，进一步增加电源负荷，增加了诸多损耗。因此为了保证良好的工作效率，要将其应用到固定负载电路、或者负载变化不明显的电流环境中，从而促使其能够有效发挥作用，满足高压大功率系统运行需求。

3.4实验结果与分析

根据上文设计，我们对其进行试运行，对运行情况数据进行收集和整理能够发现，对于开关管电压来说，能够实现软开关，且两个管子启动与关闭都未出现明显的电压尖刺。对于满载工作来看，开关管无论是哪种状态，其波形都处于平滑状态，没有出现明显的震荡现象。半载情况下，滞后臂关闭时，回路电流能够迅速下降到反向流动状态，且电流并联二极管保持在正向状态，无法实现零电压开通。不仅如此，由于主电路电流相对较小，超前臂无法做到零电压开通，但在谐振电感电流的辅助下，能够在零电压条件下启动[3]。随着科学技术不断发展，对于高压大功率的开关电源技术，我们还要进一步深入分析和研究，加强技术创新，不断优化电源开关性能，使其在实践应用中能够充分发挥积极作用，为人们营造良好的工作环境，确保人员生命安全，

且能够为设备提供源源不断、稳定可靠的电力能源。

结论

根据上文所述，高压电源由于输出较常规电源更高，其输出不能够利用常规开关电源滤波，只能够以容性滤波为主，负载特性区别，使得高压开关电源工作状态更具特殊性。因此加强对高压大功率开关电源技术的研究至关重要，能够为有关领域发展需求提供支持。本文从电源开关发展入手，对当前高压大功率开关电源设计难点进行分析，并对此类开关电源进行设计。在实践应用中，此类开关能够降低管子的损耗，且能够避免严重的电磁干扰，能够促进系统整个运行效率与可靠性显著提升，从而促进有关领域持续发展。

参考文献

[1]贾佳.关于高压大功率开关电源技术的探讨[J].科技经济导刊,2017,01:87.

[2]毛晓惠,李青,王雅丽,姚列英,宣伟民,王英翘.基于脉冲调制技术的LHCD大功率阴极高压电源[J].强激光与粒子束,2016,01:54-60.

[3]史源.高压大功率开关电源相关技术研究[J].信息化建设,2016,06:61.