高壓直流電源整流及逆變相關技術問題分析探究

孟慶波

（撫順石化公司洗滌劑化工廠，遼寧 撫順 113000）

高壓直流輸電是工頻電壓經過升壓后被壓整流獲得的高壓電流，其屬于一類新型直流不間斷供電系統，相較交流UPS來說，高壓直流輸電具備并聯冗余的優勢，且其比單個組間的可靠性要高，實現系統安全系數的提升，且過載能力優秀，能夠大大提高工作效率，現在各個行業中都獲得了廣泛的運用。相關企業應當要對該技術的工作原理予以全面重視，并開展深入的分析與研究，構建起多元控制機制，確保高壓直流電源得以發揮其應有的效用。

1 高壓直流輸電與高壓直流電源

高壓直流輸電在很多行業及遠程電力輸送中有重要應用，隨著電力電子技術快速發展，高壓直流電源性能不斷提高，其技術也不斷得到更新發展。相對于傳統交流輸電方式而言，高壓直流輸電用于遠距離或超遠距離輸電中具有更大經濟效益，其除了具有常規直流輸電調節速度快、運行可靠等優點外，經濟性也非常顯著。首先，高壓直流輸電只需兩根導線，線路造價低，有效節約電纜費用。其次，高壓直流輸電運行電能損耗小，傳輸節能效果佳。直流輸電導線根數少，電阻發熱損耗小，沒有感抗和容抗的無功損耗，且傳輸功率的增加使單位損耗降低，大大提高了電力傳輸中的節能效果。此外，高壓直流輸電線路占地面積小，節約土地。

高壓直流電源是一種將工頻電網電能轉變為特種形式的電子儀器設備。按輸出電壓極性進行分類，高壓直流電源主要分為正極性、負極性兩種類型。隨著電力行業快速發展，高壓直流電源被廣泛應用于各行各業，在農業領域也有重要應用。在具體應用環節，該項技術具有較為顯著的節能效果。相較于傳統電流計算而言，高壓直流電源通常能夠節能約20%～30%。其重點是在供電系統效率以及后端設備效率上具有較為顯著的優勢。而且供電技術需要逆變，就必定會對電能造成損傷，但是運用高壓直流電源技術就能有效防止該問題出現，實現電能的節約以及使用效率的提升。隨著高壓直流相關技術不斷發展，高壓直流電源應用也不斷拓展，在應用中體現出顯著的社會效益和經濟效益，是一種非常有市場前景的應用技術。

2 高壓直流電源變換原理分析

高壓直流電源變換，簡單而言就是三相電經BUCK型PWM交流斬波后，再經過小容量LC濾波器，這環節主要是為了去除高頻諧波，這之后輸出交流至整流變壓器原邊。變換過程中的整流變壓器是具有特殊連接形式的升壓變壓器，通過設置合適變比就可以使變壓器兩閥側繞組得到大小相等、相位相差30°的高壓變流，并分別作為兩個三相整流橋的網側輸入，兩個整流橋輸出串聯，最后濾波輸出高壓直流。這項技術目前已經較為成熟，且可靠性高，擁有穩定的運行環境，用戶只需要調節交流PWM變換器導通占空比就可以實現變壓器原、副邊電壓的穩定輸出，達到控制直流出處目的。

3 高壓直流電源技術發展及存在的問題及難點

在高壓直流電源應用中，開關電源技術及其發展非常重要。隨著新電子元器件、電磁材料、電源變換技術及控制理論的涌現和發展，開關電源性能不斷得到提高和更新發展，更是逐漸具備了頻率高、效率高、功率密度高及可靠性高等新特性，進一步推動了高壓直流電源技術應用發展，當時其應用環節還存在一些問題有待改進，具體表現如下。

3.1 關鍵功率新部件應用

目前實際應用中常用的有晶體管、功率MOSFETS、IGBTS等快速轉換器件；適用于高頻的新型變壓器貼心材料應用方面，主要有鐵氧體、非晶材料等，低功耗、高性能是突出特點。電子電力技術發展下，低耗散因素的大容量電容也得到快速發展和應用。另外，低前向電壓降快速整流器也得到快速發展和廣泛應用。

3.2 先進變換技術

變換技術方面，主要體現在以下幾方面：（1）零電流串聯和并聯諧振開關技術（ZCS）。（2）零電壓LCC諧振逆變技術（ZVS）。（3）軟開關和相控諧振技術。（4）正反激勵和推挽逆變器技術。

3.3 高壓直流電源技術發展中存在的問題及難點

對著高新技術逐步應用，在實際應用中也不斷呈現出新的問題和技術難點。主要體現在高頻化技術發展方面，高頻化技術能夠提高電源性能，并壓縮變壓器體積及文波系數，但由于高頻高壓并存，導致在實際應用中存在較大技術難點，具體體現有以下幾方面：（1）高頻高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗也相應變小，從而使得絕緣問題較為突出。（2）電壓變化比增大使得變壓器非線性嚴重化，從而增加漏感和分布電容，這樣其就必須與逆變開關隔離才能確保逆變電路正常工作，否則就可能出現擊穿功率器件的問題。（3）高頻化會增加變壓器的趨附效應，從而使變壓器效率降低。

4 高壓直流電源整流與逆變技術分析

4.1 高頻高壓變壓器優化設計

目前針對高壓直流電源中高頻高壓變壓器的優化設計主要有以下兩方面：（1）優化選擇逆變器拓撲結構。由于高壓電源頻率非常高，使得功率開關器件開端頻繁，能耗增大，因此在電源使用技術改進中，應對逆變器的拓撲結構進行合理選擇。軟開關和同步蒸餾技術在降低高頻化造成的損耗方面就具有突出優勢，是目前高壓直流電源技術應用中的一項重要技術應用。在此基礎上再同時采用逆變器和準諧振電路相結合技術，通過電壓或電流諧振，能夠使開關打開或斷開時的電壓或電流為零，從而大大減小能耗。另外，為減少變壓器漏感等不利影響，可將變壓器漏感作為逆變器一部分，也就是逆變—諧振—變壓器漏感，采用一體化思想進行整體設計，從而達到有效避免不利影響的目的。（2）控制檢測部優化。采用數字集成電路（IC）高頻高壓開關電源，其以模擬方式對輸出電壓進行控制，并以數字方式操作開關，能夠實現連續和不連續模式轉換。同時，采用PWM（脈寬調制技術）、PFM（頻率調制技術）和DC-DC（直流—直流）變換器、逆變器等技術，強電弱電間相互影響得到加強，但檢測部位高壓電壓對后續電子元器件（精密電阻等）在性能方面也提出了更高要求。

4.2 諧振變換器ZVS軟開關同步整流技術

同步整流（SR）技術用具有低導通電阻特性的功率MOSFET來替換二極管而實現整流，能夠大大降低低壓大電流整流電路功率損。目前應用于變換器中的大多整流器件都普遍工作于硬開關工作狀態，當開關頻率較高的情況下，開關損耗比較大，從而降低了系統效率。另外，運用自驅動方式的同步整流變換器，容易給變換器主電路工作造成影響，降低系統性能。在眾多變換器中，諧振變換器具有體積小、傳輸效率高等優點而備受重視。諧振變換器諧振環節電容電壓及電感電流波形都是正弦波，因此較容易在大范圍內實現開關網絡的ZVS或ZCS。

4.3 PWM交流斬波電路

一種直接AC/AC變換電路，從所采取控制方式不同方面看，主要分為相控式和斬控式兩種類型。其中，相控式晶閘管變換電路控制電路具有操作簡單、功率容量大的優點，其不足及缺點主要體現在動態響應速度慢、出處電壓的低次諧波含有率大、功率因數低等方面。而斬控式交流變換電路相對于相控電路而言，其優良性能就更為突出。首先，斬控式交流變換器功率因數僅僅由負載決定，因此其功率因數相對較高。其次，輸出輸入方面只含與開關頻率相關高次諧波，比較容易濾除，因此輸出波形比較接近于正弦波。此外，其輸出電壓隨占空比現行調節，變化范圍更大。另外，斬控式交流變換器還具有動態響應速度快及工作效率高等優點，因此一直都是高壓直流電源相關技術研究的重點，而且在各領域也有廣泛應用。

5 結語

綜上所述，高壓直流電源技術具有非常多的優良性能，在很多工業生產領域都有重要應用。隨著電子電力科學技術快速發展，高壓直流電源技術不斷得到更新與發展，但在高壓直流電源技術實際應用中也會不斷出現新的問題及技術難點，因此仍需進一步加強對高壓直流電源整流與逆變相關技術研究，以充分發揮高壓直流電源技術應用水平，推動社會經濟更好的發展。