[01030404]大功率高压开关电源关键技术研究

课题来源与背景：大功率高压电源广泛应用于各类高精尖军民用设备，军民用设备、与军工武器生产制造密切相关的精密加工设备等，都离不开“高性能”大功率高压电源。传统的“高性能”大功率高压电源通常采用线性电源技术，效率低下（＜50%）、笨重且应用环境复杂（需复杂油冷装置）、综合控制性能不佳。随着电力电子技术和高频电能变换技术的发展而出现的开关电源，以“轻巧”和“高效率”等无与伦比的特点，逐步替代了传统的线性电源。时至今日，随着技术的成熟，在中小电压和功率等级的诸多军民用直流电源，开关电源几乎全面替代了线性电源，普及率近100%；但大功率高压稳压电源要实现开关化（即大功率高压开关电源）却受到严峻的挑战。制约大功率高压开关电源发展主要因素在于：高压、大功率。在高电压大功率等级电源（电压数10kV 以上、功率数10kW以上的电源），开关管的制造、选取、构成和控制技术难度很大；大功率高频变压器的设计和选择有相当难度；高耐压滤波电容很小、开关管的开关频率相对较低，电源的纹波抑制也同样成为难题。因此，研究和解决大功率高压开关电源发展过程中所存在的技术难题，促进其实用化，除了可为高精尖军民用设备提供“高性能”的直流电源外，还能充分提高电能的转换和利用效率，实现绿色环保等重要技术目标。技术原理及性能指标：采用电感耦合Cuk变换的高压开关电路拓扑，可以从理论上做到0纹波电压输出。考虑实际工程设计时元件参数的误差，实际电源的纹波可做到微纹波的水平，纹波系数可由5%降到1%的低水平。技术的创造性与先进性：采用电子管作开关管，解决耐压问题；采用多磁路及磁路气隙设计大功率高频耦合变压器，解决变压器电感自感参数微调问题；采用状态空间平均法对开关电路进行建模分析并设计电源的控制系统，提高电压的稳定性。技术的成熟程度，适用范围和安全性：从理论和实验分析，该项目技术具有可行性；但从工程应用效果看，该技术还存在参数调节困难，开关频率不够高等实际问题和可靠性问题需要加以解决。该项目可应用于高能束加工设备、X光成像仪、大功率雷达发射机等需要高精度大功率高压电源的场合，通过适当的接地防护可保证使用安全。应用情况及存在的问题：该项目应用于电子束焊接设备的高压加速电源，具有独特的优势，原因在于该电源系统的固有纹波小，可以大大减小滤波电容的数值，可有效减少电子束焊接设备的飞弧能量进而减少其飞弧危害，使电子束焊接更加可靠。该项目技术的缺点是电子管的开关频率受驱动技术制约不能做得很高（通常5kHz），未能充分发挥开关电源的优势，其次是耦合电感的参数整定过于复杂，而且会随着搬运过程导致参数的变化，因此不适合自动化生产，这些问题需要在今后的实践中加以解决。历年获奖情况：与该项目相关的应用项目“具备焊缝磁偏移示教寻迹功能的电子束焊机”或2015年度桂林市科技进步一等奖和广西广西技术发明1等奖。