高壓開關(guān)電源及控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

蔣僑 葛大江 沈競(jìng)

摘要：高壓開關(guān)電源作為射線源系統(tǒng)的重要組成部分，隨著射線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和要求，高壓開關(guān)電源的控制技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文對(duì)高壓開關(guān)電源及控制技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，對(duì)充分發(fā)揮電力電子器件以及變換拓?fù)潆娐吩诟哳l高壓電源中的作用具有重要作用。

關(guān)鍵詞：高壓;開關(guān)電源;控制技術(shù)

目前，工頻高壓直流電源的應(yīng)用已逐漸遭到淘汰^[]，并隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，高壓開關(guān)電源主要是向著智能化和小型化方向發(fā)展。本文首先從國(guó)內(nèi)外高壓開關(guān)電源的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，然后對(duì)三種在高壓開關(guān)電源領(lǐng)域應(yīng)用較多的控制方法進(jìn)行研究。

1國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，隨著電力電子器件發(fā)展和變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)革新，高壓開關(guān)電源技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。突出表現(xiàn)為高壓開關(guān)電源功率以及其工作頻率不斷提升兩個(gè)方面。在電源功率方面：如在俄羅斯用于雷達(dá)的高壓開關(guān)電源功率達(dá)到140kW，在美國(guó)用于脈沖功率技術(shù)中的高壓開關(guān)電源其功率高達(dá)300kW;而在電源工作頻率方面：如飛利浦公司生產(chǎn)移動(dòng)式電源其工作頻率達(dá)到30kHz，德國(guó)霍夫曼公司生產(chǎn)的高頻高壓電源其工作頻率高達(dá)40kHz，通用電氣和瓦里安公司都研制了工作頻率高達(dá)100kHz的高頻高壓電源。

國(guó)外射線源用高壓開關(guān)電源，在電壓等級(jí)方面：能制作出輸出電壓達(dá)到450kV的電源;在工作頻率方面：都能實(shí)現(xiàn)高頻，如德國(guó)YXLON公司的MG450，其工作頻率最大能達(dá)到100kHz;在其功率方面：都能實(shí)現(xiàn)中小功率;在穩(wěn)定度方面：都能達(dá)到0.2%;而在紋波系數(shù)方面一般都能達(dá)到0.2%。

2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

自八十年代開始，我國(guó)也開始對(duì)高壓開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)行了研究，并將其列入“七五”、“八五”、“九五”國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。其中國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目高壓直流開關(guān)電源研制，其輸出電壓達(dá)到200kV，功率達(dá)到20kW。國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目研制生產(chǎn)出用于產(chǎn)生高濃度臭氧的20kHz高頻高壓逆變電源，其轉(zhuǎn)換效率大于百分之八十，其體積降為原體積五分之一。目前國(guó)內(nèi)多采用10kHz-40kHz的PWM調(diào)制和中頻逆變，經(jīng)多級(jí)倍壓整流電路得到穩(wěn)定直流高壓。此類電源體積小、重量輕、控制精度好、穩(wěn)定度高、紋波系數(shù)小、響應(yīng)速度和保護(hù)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)高壓開關(guān)電源，在電壓等級(jí)方面：能制作出輸出電壓達(dá)到400kV的電源;在工作頻率方面：大部分產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)中頻工作，只有部分產(chǎn)品才能達(dá)到高頻工作;在功率方面：也普遍實(shí)現(xiàn)了中小功率;在穩(wěn)定度方面：國(guó)內(nèi)較好型號(hào)能達(dá)到1%;在紋波系數(shù)方面：國(guó)內(nèi)較好的能達(dá)到1%。

通過(guò)對(duì)比可知，與國(guó)外生產(chǎn)的高頻高壓電源相比，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高壓電源無(wú)論是在電壓等級(jí)還是在輸出電壓質(zhì)量都存在著一定的差距。而導(dǎo)致其原因的因素主要包括如下幾個(gè)方面：

（1）開關(guān)電源內(nèi)用元器件。由于生產(chǎn)工藝影響，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的開關(guān)器件與國(guó)外相比存在開關(guān)頻率不高、耐壓水平低和壽命短等特點(diǎn);

（2）電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。主要反映為反饋控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了保證反饋控制信息精準(zhǔn)性以及能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，反饋控制電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)難度大、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

（3）控制芯片以及控制方法。以往高頻高壓直流高壓發(fā)生器多采用模擬控制，存在控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易升級(jí)等特點(diǎn);現(xiàn)雖然部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，但所選用控制芯片計(jì)算能力有限，從而影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和先進(jìn)控制方法的實(shí)現(xiàn)。

3高壓開關(guān)電源控制方法研究現(xiàn)狀

近幾年我國(guó)在高頻高壓電源控制領(lǐng)域也有所發(fā)展，利用DSP來(lái)作為控制單元，使得高壓開關(guān)電源控制技術(shù)朝著全數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，便于系統(tǒng)升級(jí)和靈活控制，從而使系統(tǒng)的可靠性得以提升。

3.1 常規(guī)控制方法

作為現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的數(shù)字PID控制技術(shù)，由于其響應(yīng)速度快、魯棒性好，以及其控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，所以數(shù)字PID控制器是數(shù)字控制技術(shù)中應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的一個(gè)控制方法。其控制過(guò)程為：管電壓被測(cè)量采樣后反饋到控制單元模塊，并與基準(zhǔn)量比較得到偏差，再經(jīng)過(guò)數(shù)字PID控制，得到占空比可變的PWM波，最后送到功率主電路完成對(duì)管電壓閉環(huán)控制。其中控制方法選擇開關(guān)電源控制方法中的電壓型控制方法;控制策略選用的是PWM（脈寬調(diào)制）的方法^[2];雖然數(shù)字PID控制技術(shù)較以前控制方式有了明顯改善，但由于PID控制器三個(gè)控制參數(shù)不能隨系統(tǒng)特性自動(dòng)跟蹤適應(yīng)調(diào)整，所以其控制效果不是很理想，從而致使國(guó)內(nèi)X射線源用高頻高壓電源普遍存在紋波系數(shù)大、穩(wěn)定度不夠等缺點(diǎn)。然而如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等智能控制方法具有適應(yīng)非線性、時(shí)變對(duì)象等特點(diǎn)，所以智能控制方法已成為研究、分析和控制具有非線性、時(shí)變和不確定系統(tǒng)的主要工具。

3.2 智能控制方法

起源于20世紀(jì)60年代的智能控制，相對(duì)于經(jīng)典和現(xiàn)代控制屬于自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，作為一個(gè)嶄新階段，它具有一系列獨(dú)到之處[3]。首先，它根據(jù)實(shí)際效果進(jìn)行控制，與以往必須基于精確數(shù)學(xué)模型的控制方法有了本質(zhì)區(qū)別;其次，由于智能控制是模擬人類活動(dòng)，所以其具有非線性特性。智能控制應(yīng)用于開關(guān)電源主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和混沌控制算法。

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是從結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)機(jī)理以及功能上對(duì)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬和近似。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的信息處理系統(tǒng)，所以它具有分布式存儲(chǔ)、并行處理和容錯(cuò)能力，且能根據(jù)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)特性下逼近任意復(fù)雜非線性系統(tǒng)的一種控制方法^[4]。根據(jù)不同的作用對(duì)象神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以單獨(dú)作用，也可與經(jīng)典PID、模糊控制技術(shù)或進(jìn)化算法結(jié)合。其中文獻(xiàn)就是利用了模糊神經(jīng)系統(tǒng)中的TSK型模糊邏輯系統(tǒng)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成了多層前饋型網(wǎng)絡(luò)。

（2）遺傳算法和粒子群算法

作為一種全局優(yōu)化搜索算法，遺傳算法（GA）是通過(guò)選擇、交叉和變異三種操作來(lái)模擬達(dá)爾文自然淘汰和遺傳選擇的生物進(jìn)化過(guò)程計(jì)算模型。由于遺傳算法具有過(guò)程簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好、容易與其他算法結(jié)合等特點(diǎn)，所以遺傳算法得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)所，遺傳算法可以單獨(dú)使用，也可與經(jīng)典PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合使用。由于遺傳算法運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，所以一般都采用離線運(yùn)算。文獻(xiàn)就是利用遺傳算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

源于鳥類捕食活動(dòng)的一種搜索優(yōu)化算法，粒子群算法（PSO）是由Kennedy和Eberhart于20世紀(jì)90年代提出的。由于PSO算法相對(duì)于遺傳算法沒有選擇、交叉和變異三個(gè)操作，所以PSO算法收斂速度優(yōu)于遺傳算法。

（3）混沌控制算法在USM驅(qū)動(dòng)電源中的應(yīng)用

混沌控制是Lorenz在1963年對(duì)一氣象問題進(jìn)行實(shí)例分析時(shí)提出的。混沌主要是指在非線性系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)的一些確定因素仍然會(huì)出現(xiàn)貌似不規(guī)則和隨機(jī)的現(xiàn)象;即混沌狀態(tài)是系統(tǒng)非平衡過(guò)程行為確定性和隨機(jī)性、有序和無(wú)序的狀態(tài)，介于嚴(yán)格的規(guī)則性和隨機(jī)性之間。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，混沌控制已發(fā)展成一種比較成熟的控制算法，特別是1989年Kuroe和Hayashi把混沌控制運(yùn)用于對(duì)電機(jī)的控制研究以來(lái)，混沌控制在直流電機(jī)、磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等各種電機(jī)控制領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

由此可知，我們與國(guó)外的高壓開關(guān)電源技術(shù)方面相比還存在一定的差距，其主要原因之一是由于國(guó)內(nèi)應(yīng)用于高壓開關(guān)電源控制方法落后，所以研究設(shè)計(jì)更加適合高壓開關(guān)電源的控制方法，對(duì)提高我國(guó)在高壓開關(guān)電源領(lǐng)域技術(shù)水平具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[] 孫淑惠. 倍壓整流電路原理仿真及應(yīng)用[J]. 機(jī)械電器，2009，12（2）：8-10.

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[3] 謝秀鐲，基于DSP的智能通信開關(guān)電源設(shè)計(jì)及開發(fā)[D]. 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[4] 張玲，鄭恩讓. 抄紙過(guò)程免疫單神經(jīng)元控制研究與應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2008，35（6）：68-70.

（作者單位：1.78156部隊(duì);2.陸軍勤務(wù)學(xué)院）