高压直流电源整流及逆变相关技术问题分析探究

孟庆波

（抚顺石化公司洗涤剂化工厂，辽宁 抚顺 113000）

高压直流输电是工频电压经过升压后被压整流获得的高压电流，其属于一类新型直流不间断供电系统，相较交流UPS来说，高压直流输电具备并联冗余的优势，且其比单个组间的可靠性要高，实现系统安全系数的提升，且过载能力优秀，能够大大提高工作效率，现在各个行业中都获得了广泛的运用。相关企业应当要对该技术的工作原理予以全面重视，并开展深入的分析与研究，构建起多元控制机制，确保高压直流电源得以发挥其应有的效用。

1 高压直流输电与高压直流电源

高压直流输电在很多行业及远程电力输送中有重要应用，随着电力电子技术快速发展，高压直流电源性能不断提高，其技术也不断得到更新发展。相对于传统交流输电方式而言，高压直流输电用于远距离或超远距离输电中具有更大经济效益，其除了具有常规直流输电调节速度快、运行可靠等优点外，经济性也非常显著。首先，高压直流输电只需两根导线，线路造价低，有效节约电缆费用。其次，高压直流输电运行电能损耗小，传输节能效果佳。直流输电导线根数少，电阻发热损耗小，没有感抗和容抗的无功损耗，且传输功率的增加使单位损耗降低，大大提高了电力传输中的节能效果。此外，高压直流输电线路占地面积小，节约土地。

高压直流电源是一种将工频电网电能转变为特种形式的电子仪器设备。按输出电压极性进行分类，高压直流电源主要分为正极性、负极性两种类型。随着电力行业快速发展，高压直流电源被广泛应用于各行各业，在农业领域也有重要应用。在具体应用环节，该项技术具有较为显著的节能效果。相较于传统电流计算而言，高压直流电源通常能够节能约20%～30%。其重点是在供电系统效率以及后端设备效率上具有较为显著的优势。而且供电技术需要逆变，就必定会对电能造成损伤，但是运用高压直流电源技术就能有效防止该问题出现，实现电能的节约以及使用效率的提升。随着高压直流相关技术不断发展，高压直流电源应用也不断拓展，在应用中体现出显著的社会效益和经济效益，是一种非常有市场前景的应用技术。

2 高压直流电源变换原理分析

高压直流电源变换，简单而言就是三相电经BUCK型PWM交流斩波后，再经过小容量LC滤波器，这环节主要是为了去除高频谐波，这之后输出交流至整流变压器原边。变换过程中的整流变压器是具有特殊连接形式的升压变压器，通过设置合适变比就可以使变压器两阀侧绕组得到大小相等、相位相差30°的高压变流，并分别作为两个三相整流桥的网侧输入，两个整流桥输出串联，最后滤波输出高压直流。这项技术目前已经较为成熟，且可靠性高，拥有稳定的运行环境，用户只需要调节交流PWM变换器导通占空比就可以实现变压器原、副边电压的稳定输出，达到控制直流出处目的。

3 高压直流电源技术发展及存在的问题及难点

在高压直流电源应用中，开关电源技术及其发展非常重要。随着新电子元器件、电磁材料、电源变换技术及控制理论的涌现和发展，开关电源性能不断得到提高和更新发展，更是逐渐具备了频率高、效率高、功率密度高及可靠性高等新特性，进一步推动了高压直流电源技术应用发展，当时其应用环节还存在一些问题有待改进，具体表现如下。

3.1 关键功率新部件应用

目前实际应用中常用的有晶体管、功率MOSFETS、IGBTS等快速转换器件；适用于高频的新型变压器贴心材料应用方面，主要有铁氧体、非晶材料等，低功耗、高性能是突出特点。电子电力技术发展下，低耗散因素的大容量电容也得到快速发展和应用。另外，低前向电压降快速整流器也得到快速发展和广泛应用。

3.2 先进变换技术

变换技术方面，主要体现在以下几方面：（1）零电流串联和并联谐振开关技术（ZCS）。（2）零电压LCC谐振逆变技术（ZVS）。（3）软开关和相控谐振技术。（4）正反激励和推挽逆变器技术。

3.3 高压直流电源技术发展中存在的问题及难点

对着高新技术逐步应用，在实际应用中也不断呈现出新的问题和技术难点。主要体现在高频化技术发展方面，高频化技术能够提高电源性能，并压缩变压器体积及文波系数，但由于高频高压并存，导致在实际应用中存在较大技术难点，具体体现有以下几方面：（1）高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗也相应变小，从而使得绝缘问题较为突出。（2）电压变化比增大使得变压器非线性严重化，从而增加漏感和分布电容，这样其就必须与逆变开关隔离才能确保逆变电路正常工作，否则就可能出现击穿功率器件的问题。（3）高频化会增加变压器的趋附效应，从而使变压器效率降低。

4 高压直流电源整流与逆变技术分析

4.1 高频高压变压器优化设计

目前针对高压直流电源中高频高压变压器的优化设计主要有以下两方面：（1）优化选择逆变器拓扑结构。由于高压电源频率非常高，使得功率开关器件开端频繁，能耗增大，因此在电源使用技术改进中，应对逆变器的拓扑结构进行合理选择。软开关和同步蒸馏技术在降低高频化造成的损耗方面就具有突出优势，是目前高压直流电源技术应用中的一项重要技术应用。在此基础上再同时采用逆变器和准谐振电路相结合技术，通过电压或电流谐振，能够使开关打开或断开时的电压或电流为零，从而大大减小能耗。另外，为减少变压器漏感等不利影响，可将变压器漏感作为逆变器一部分，也就是逆变—谐振—变压器漏感，采用一体化思想进行整体设计，从而达到有效避免不利影响的目的。（2）控制检测部优化。采用数字集成电路（IC）高频高压开关电源，其以模拟方式对输出电压进行控制，并以数字方式操作开关，能够实现连续和不连续模式转换。同时，采用PWM（脉宽调制技术）、PFM（频率调制技术）和DC-DC（直流—直流）变换器、逆变器等技术，强电弱电间相互影响得到加强，但检测部位高压电压对后续电子元器件（精密电阻等）在性能方面也提出了更高要求。

4.2 谐振变换器ZVS软开关同步整流技术

同步整流（SR）技术用具有低导通电阻特性的功率MOSFET来替换二极管而实现整流，能够大大降低低压大电流整流电路功率损。目前应用于变换器中的大多整流器件都普遍工作于硬开关工作状态，当开关频率较高的情况下，开关损耗比较大，从而降低了系统效率。另外，运用自驱动方式的同步整流变换器，容易给变换器主电路工作造成影响，降低系统性能。在众多变换器中，谐振变换器具有体积小、传输效率高等优点而备受重视。谐振变换器谐振环节电容电压及电感电流波形都是正弦波，因此较容易在大范围内实现开关网络的ZVS或ZCS。

4.3 PWM交流斩波电路

一种直接AC/AC变换电路，从所采取控制方式不同方面看，主要分为相控式和斩控式两种类型。其中，相控式晶闸管变换电路控制电路具有操作简单、功率容量大的优点，其不足及缺点主要体现在动态响应速度慢、出处电压的低次谐波含有率大、功率因数低等方面。而斩控式交流变换电路相对于相控电路而言，其优良性能就更为突出。首先，斩控式交流变换器功率因数仅仅由负载决定，因此其功率因数相对较高。其次，输出输入方面只含与开关频率相关高次谐波，比较容易滤除，因此输出波形比较接近于正弦波。此外，其输出电压随占空比现行调节，变化范围更大。另外，斩控式交流变换器还具有动态响应速度快及工作效率高等优点，因此一直都是高压直流电源相关技术研究的重点，而且在各领域也有广泛应用。

5 结语

综上所述，高压直流电源技术具有非常多的优良性能，在很多工业生产领域都有重要应用。随着电子电力科学技术快速发展，高压直流电源技术不断得到更新与发展，但在高压直流电源技术实际应用中也会不断出现新的问题及技术难点，因此仍需进一步加强对高压直流电源整流与逆变相关技术研究，以充分发挥高压直流电源技术应用水平，推动社会经济更好的发展。