特种电源技术在核技术、航空航天、国防、高能物理等工程领域发挥重要作用,是大科学装置和高性能装备的重要技术基础。本文从电源电路拓扑及仿真、高功率逆变、功率器件及电子封装、电源控制及电磁兼容等关键技术层面以及高功率脉冲电源及应用、空间电源技术及应用、特种电源交叉应用等基础层面对国内特种电源技术及应用的进展情况进行了概述,分析了相关技术的发展趋势,包括以下几个方面:
(1)高功率特种电源器件半导体化
为更好满足实际应用需求,特种电源朝着固态化、高可靠性以及长使用寿命等方向发展。开关作为其中的核心器件,已经从传统的气体、真空、伪火花开关向晶闸管、可关断晶闸管等半导体开关发展。由于半导体器件具有低电磁干扰、可关断、重复性好、高效率、寿命长等优点,在近年来得到了迅速的发展。固态开关大规模的并联和串联的应用有效地提升了脉冲电源的性能。
(2)特种电源的高可靠性要求
随着技术的发展,对加速器、闪光X光机、电磁加载等应用的高功率特种电源系统可靠性设计提出了更高的挑战,其研究内容涉及器件载流子物理机理及失效机理、电磁兼容特性、电源与负载耦合特性等。
(3)创新性的能量变换与状态管理技术
主要体现在:新型电路拓扑如功率合成LTD、IVA技术;基于高压大电流开关通断控制的脉冲形成与高效率能量转化拓扑;新型储能技术和储能材料;长脉宽调制器脉冲形成与波形跟随调整如平顶补偿技术;电源状态智能化管理等。
(4)高效率能量变换与高功率高重复频率高压脉冲产生技术
充电电源作为特种电源的初级部分,对特种电源的波形输出具有重要影响。特种电源小型化、轻量化的发展需求对充电电源提出了高功率密度与高稳定度输出的要求。基于电力电子开关技术的高频变换器是目前充电电源的主流技术路线,其具有效率高、体积小、功率密度高等优点,被广泛研究并使用。常见的高频变换器拓扑包括谐振变换器、Boost变化器、Flyback变换器、Ward变换器等。一般地,变换器的频率在几十kHz到百kHz。为了实现更高的功率密度,进一步提高高频逆变的开关频率是一种可行的方法。通过提高开关频率,其他主要部件如变压器的体积也大大减小。