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内阻抗越大,实际输出电压比预期值小得越多,同时脉动系数也越大。因此,级数不宜太多,一般不超过5级。
图1-2倍压整流电路
1.2 高压开关电源简介
随着电力电子器件和相关应用技术的发展,作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。
应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图1.3,交流电源经整流单元整流、滤波后,变成低压直流,逆变单元由控制单元控制,使低压直流电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成高频高压的方波电压,然后经高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单元，只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。其中整流单元通常采用不可控桥式整流,结合电感和电容加以滤波逆变单元根据所含开关管数量,可以分为单管、双管(半桥式和推挽式)和四管(桥式）,根据开关频率和电流电压参数不同,开关组件多用IGBT和MOSFERT；和高频变压器最重要的参数是频率,通常频率在几KHZ至几十KHZ之间。
图1-3 应用电力电子器件的高压直流电源的结构图
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采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小,重量轻,控制精度高,稳定度高,纹波系数低,保护速度快等优点,因此它必然在高压直流电源中有更广泛的应用。
1.3 高压开关电源发展趋势
在要求高效率、小型、轻量的背景下开关电源得到大量的普及。在高压电源方面，工作频率为20KHZ～80KHZ的晶体管逆变器也已取代老式的市电频率方式的电源，成为电源的主流。在高压设备方面，作为负载的设备是多方面的，各种负载对电源的性能和功能的要求也有相当的差异。高压开关电源的阶段状况和发展前景决定输出电压有几KV～几百KV，输出功率有几W～几百w等各种各样。
高压开关电源的一般特征如下： 1、高频率、小型、轻量
2、响应速度快，在输入和负载急剧变化时，输出电压的稳定度好． 3、在负载放电时，由于平滑滤波电容是小型的，以及逆变器保护电路高速动作产生的对通过逆变部能量的抑制效果，把流向负载侧的剩余能量限制在最低限度，以保护负载。因此噪声产生量也少。
4、操作性好，适合作为设备内的电源适配器。
5、高稳定度，低波纹电压都比较容易实现。特别是在超高压范围更为有利。 在国外,从70年代开始,日本的一些公司开始采用开关电源技术,将市电整流后逆变为3kHZ左右的中频,然后升压,美国GE公司生产的AMX-2一移动式X线机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器,从而减小体积和重量。进入80年代,高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件,将电源的开关频率提高到20kHZ以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。近十年来,随着电力电子技术的进步和开关器件的发展,高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高:如Philips公司30kW以下移动式X光机的X线发生装置频率达30kHZ以上,德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHZ。98年以后通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功100kHZ X线机发生器。另外,高压开关电源的功率也在不断地提高,10-30kW的大功率高压开关电源在产品上己很成熟,更高功率的高压开关电源也有很快的发展,如:用于雷达发射机的140kW高压开关电源(俄罗斯);用于脉冲功率技术中的300kW大功率恒流
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充电电源(美国EEV公司)等等。
可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是： 1、频率不断提高 2、功率不断增加
我国自年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究,分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目(85-805-01),200kV高压直流开关电源的研制,输出功率达20Kw;国家自然基金资助项目(69871002)产生高浓度臭氧用20kHZ高压逆变电源的研制,电源的转换效率>80%,输出功率最高达20kW,电源体积降至原体积1/5,臭氧发生器体积降为原来1/6,还减少了原材料消耗静电除尘高压直流电源也实现了高频化,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压,在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHZ。
相对而言我国高压开关电源技术己取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距，特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。
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第2章 大功率开关电源的基本原理
2.1 大功率开关电源的组成
一般把从交流电网汲取电能，输出直流电的开关电源称之为AC-DC变换器。如图2-1所示，AC-DC变换器由输入整流滤波电路和DC-DC变换器组成。输入整流滤波电路的形式一般为整流桥并联滤波电容，这一部分存在的问题留待第四章进行详细的讨论。而所谓的DC-DC变换器是指把输入的直流电变换成满足用电设备要求的直流电的电能转换设备。
交流输入 输入整流 滤波电路 直流 DC-DC 变换器 直流直流输出 图2-1 AC-DC变换器组成框
现有的DC-DC变换器技术，按照变换器的输入和输出之间是否具有高频变压器进行电气隔离可分为两大类：非隔离式DC-DC变换器、隔离式DC-DC变换器。非隔离式DC-DC变换器常用的拓扑有[1]：降压式变换器、升压式变换器、升降压式变换器、丘克（Cuk）变换器、单端初级电感（SEPIC）变换器以及ZETA变换器。隔离式DC-DC变换器常用的拓扑有：正激式变换器、反激式变换器、双管正激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器以及全桥式变换器。隔离式DC-DC变换器输入与输出之间存在电气隔离，在安全性方面与非隔离式DC-DC变换器相比，具有不可比拟的优势。此外，由于隔离式DC-DC变换器具有高频变压器，可以通过选取合适的匝比使得在额定负载下，占空比处于一个合适的范围内，同时也使得多路输出设计变得简单。大功率开关电源需要从交流电网中汲取电能，而且一般要三相输入，属于AC-DC变换器。三相电源经过输入整流滤波电路后输出为一个537V的高压，大功率开关电源中的DC-DC变换器输入为一个高压直流电。因此对于大功率率开关电源来说，尽管隔离式DC-DC变换器的成本较高，电路较复杂，但是出于安全性考虑，大功率开关电源一般采用隔离式DC-DC变换器结构。
如图2-2所示，隔离式DC-DC变换器主要由逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路三大部分组成。下面对隔离式DC-DC变换器各个部分的功能进行简单的介绍。
1）逆变电路。由变压器的基本原理可知，变压器只能传输交流信号，而
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DC-DC变换器的输入为直流电，因此需要逆变电路把输入的直流电转换成高频交流电。增加交流电的频率，可以减小高频变压器的体积。
2）高频变压器。把开关电源的输出和输出进行电气上的隔离。由逆变电路产生的高频交流电，经过高频变压器传递到开关电源输出整流滤波部分。选择合适的匝比，可以把电压调整到设计的范围内。
3）输出整流滤波电路。把高频交流电整流成直流脉动，然后再通过滤波电路把直流脉动中的高频成分滤除，最终得到较为平滑的直流电输出。
4）控制电路。按照给定输出量及输出量实时回馈量之间偏差的大小，调节逆变电路，使得DC-DC变换器跟踪给定量输出。
图2-2 隔离式DC-DC变换器组成
DC-DC变换器中的各个组成部分都存在众多的技术方案，而这些已有的技术方案的适用场合又各有区别。本文将通过对各种现有的方案进行分析对比，从而为大功率开关电源选择较为合理的技术方案。
2.2 DC-DC 变换器拓扑的选择
2.2.1 DC-DC 变换器逆变电路拓扑
首先，分析一下各种逆变电路拓扑的磁芯工作状况[2]，从磁芯利用率的角度来为逆变电路拓扑的选取提供依据。图2-3为反激式（连续电流下）磁芯工作状态，可以看出工作在连续电流下，磁芯工作在第一象限，只能被单向磁化，直流偏磁大，交流分量小，工作在局部磁化曲线上，在此种情况下磁芯的利用率较低。图2-4为正激式磁芯工作状态，可以看出磁芯也工作在第一象限，只能被单向磁化，磁芯的利用率较低。图2-5为推挽、半桥、全桥磁芯工作状态，可以看出磁芯工作在B-H坐标的四个象限，被双向磁化，每个周期沿着整个磁化曲线磁化一
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