特種電源的技術分析和前景展望

特種電源的技術分析和前景展望

Summary隨著科技的發(fā)展和進步，產(chǎn)品對電源技術的要求越來越高，應用范圍越來越廣。多樣性、復雜性、便攜度、穩(wěn)定性、適應性等成為普通電源面臨的巨大考驗。特種電源不僅保證內(nèi)在性能的完美，還要賦予其各式各樣特定的外特性和外部接口方式，這就決定了特種電源技術必須兼收眾多學科之精華，融匯各行各業(yè)的科技成果。Keys

特種電源電源技術性能一、研究背景特種電源即特殊種類的電源，是為滿足科研、軍事、工程等領域特殊負載或特殊應用需求設計研發(fā)的電源，其特殊之處在于或輸出電壓、功率、紋波系數(shù)等技術參數(shù)要求高，或要求能夠適應高低溫、輻射、強電磁、強振動等特殊環(huán)境。特種電源應用廣泛，如：電鍍電解、陽極氧化、感應加熱、電力試驗、激光紅外、醫(yī)療設備等，在國防及軍事上更有著不可取代的地位。特種電源種類繁多，比如雷達發(fā)射機用的高壓電源，雷達發(fā)射機中雷達行波管用的高壓電源開關可采用全橋諧振PWM調制方式，大公路開關器件采用先進的IGBT模塊及先進可靠的驅動電路，使得電源的整體性能良好，穩(wěn)定度好，并且具有各種保護功能。雷達導航設備中的發(fā)射部分一般需要高電壓、窄脈沖，不同重復頻率的強功率脈沖源，這種強功率脈沖源一般通過一個高壓電源將市電上升為幾千伏至幾十千伏的直流高壓，然后由一個調制器將直流高壓調制為所需脈寬及頻率的脈沖源以供發(fā)射管使用。嘎牙脈沖源主要由高壓電源及調制器組成，高壓電源采用開關穩(wěn)壓電源，調制器采用半導體固態(tài)器件。二、特種電源開關技術特種電源對基礎技術和器件的依賴性較強，本文主要介紹開關技術的原理。目前，中、大型開關電源的主回路大多采用全橋變換器結構，其相應的軟開關工作方式包括三種：零電壓開關（ZVS）、零電流開關（ZCS）和零電壓零電流開關（ZVZCS）。ZVS工作模式下全橋變換器的滯后臂不易實現(xiàn)零電壓開關且存在變壓器副邊電壓占空比丟失，ZCS工作模式下的全橋變換器的滯后臂不易實現(xiàn)零電流開關且存在變壓器副邊輸出電流占空比丟失。這兩種電路拓撲自身的局限限制了其進一步發(fā)展的空間，雖然采用輔助電路在一定程度上可以改善其特性，但是增加了元器件和電路的復雜性，而且在高頻下還會引入干擾。ZVZCS軟開關工作模式基本上克服了ZVS和ZCS軟開關模式的固有缺陷，使全橋變換器的超前臂實現(xiàn)ZVS，滯后臂實現(xiàn)ZCS，在中、大功率開關電源中具有廣闊的應用前景。2.1全橋ZVZCS電路拓撲圖本設計采用ZVZCSPWM移相全橋變換器，采用增加輔助電路的方法復位變壓器原邊電流，實現(xiàn)了超前橋臂的零電壓開關（ZVS）和滯后橋臂的零電流開關（ZCS）。圖1全橋ZVZCS電路拓撲S1、S2、S2、S4是功率開關器件，C1、C2為超前橋臂的并聯(lián)電容，Lk是變壓器的漏感，T為變壓器，DS1、DS2、DS2、DS4為續(xù)流二極管，輔助電路由鉗位電容C和兩只二極管Dc、Dh構成，L0為輸出濾波電感，C0為輸出濾波電容。2.2全橋ZVZCS電路運行過程當S1、S4導通時，電源對變壓器初級繞組正向充電，將能量提供給負載，同時，輸出端鉗位電容Cc充電。當關斷S1時，電源對C1充電，C2通過變壓器初級繞組放電。由于C1的存在，S1為零電壓關斷，此時變壓器漏感LK和輸出濾波電感L0串聯(lián)，共同提供能量，由于Cc的存在使得變壓器副邊電壓下降速度比原邊慢，導致電位差并產(chǎn)生感應電動勢作用于LK，加速了C2的放電，為S2的零電壓開通提供條件。當Cc放電完全后，整流二極管全部導通續(xù)流，在續(xù)流期間原邊電流已復位，此時關段S4，開通S2，由于漏感LK兩邊電流不能突變，所以S4為零電流關斷，S2為零電流開通。當S1、S4導通，電源對變壓器初級繞組正向充電，將能量提供給負載，同時，輸出端鉗位電容CC充電。輸出濾波電感L0與漏感LK相比較大，視為恒流源。建立微分方程：

（4）其初始條件為：；

（5）代入方程解得：

（6）

（7）

（8）（其中）當S1關斷，原邊電流從S1轉移至C1和C2，C1充電，C2放電，簡化電路如圖5所示。由于C1的存在，S1是零電壓關斷。變壓器原邊漏感Lk和輸出濾波電感L0串聯(lián)，共同提供能量，變壓器原邊電壓Vab和整流橋輸出電壓以相同的斜率線性下降。當整流橋輸出電壓Vr線性降至箝位電壓VCc時，Dh導通，由于Cc的存在使得變壓器副邊電壓下降速度比原邊慢，導致電位差并產(chǎn)生感應電動勢作用于Lk，加速了C2的放電，為S2的零電壓開通提供條件。建立微分方程：

（13）其初始條件為：，

（14）解得：

（15）

（2-19）

（2-22）（其中）三、特種電源的應用前景隨著科技進步和發(fā)展，普通電源已經(jīng)無法滿足電子設備的需求，應特殊負載或場合需求設計的特種電源應運而生，目前已廣泛應用于軍工、航空航天、通信電力、工業(yè)控制、環(huán)保、醫(yī)療、科研等諸多領域，發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆ｋ娏﹄娮蛹夹g的發(fā)展推動特種電源更新?lián)Q代，也使得特種電源滲透到國民經(jīng)濟的各個領域。軍用電子設備因其敏感性和特殊性，對于國防等意義重大，特別是在面對當前緊張的國際形勢，必須為將來可能爆發(fā)的戰(zhàn)爭和其他軍事活動做好準備。對于軍用電源而言，可靠性和環(huán)境適用性應始終放在首位，且需在此前提之下去滿足更高的性能要求。保證可靠性和環(huán)境適用性并不意味著性能的犧牲，事實上，在諸如輸出功率、負載效率、轉換效率等性能指標方面，軍用設備往往有著更高的要求。軍用電源產(chǎn)品因需要盡可能地保證指揮和作戰(zhàn)等不同平常情形下的使用，必須保證設備的高性能。特種電源的國產(chǎn)化之路也形勢大好，在電源相關元器件方面，雖然整體上和國外廠商仍有很大的差距，但有部分廠商的產(chǎn)品已經(jīng)能夠到達較高的國際國內(nèi)標準，品質已和國外一些大廠的產(chǎn)品持平，且具有國產(chǎn)產(chǎn)品的最擅長的價格優(yōu)勢，得到了廣泛的采用。特種電源的未來也必將在可靠性更高和性能更強的基礎上將國產(chǎn)化之路越走越好。Reference[1]李洪濤,欒崇彪,趙娟,馬勛.特種電源技術研究進展概述[J].強激光與粒子束,2019,21(04):6-11.[2]劉陽,吳偉林,王莉.基于DSC和MCU的多輸入多功能特種電源的研究[J].電氣自動化,2017,29(06):24-28+114.[3]岳崇旺,顧文燦,奚顯陽,禚真福,黃雷,魏斌.特種電源設計[J].計算機測量與控制,2012,2