【正文】 域中，更是離不開不了開關(guān)電源器件的技術(shù)，通過開關(guān)電源可以來改變用電的頻率，從而可以達(dá)到幾乎接近于理想的驅(qū)動(dòng)控制和負(fù)載匹配。高頻開關(guān)電源器件的高科技術(shù)是各種大功率開關(guān)電源(如：高頻率的加熱電源、高溫逆變焊機(jī)、高壓電力操作電源、移動(dòng)通訊電源、高溫激光器電源等)的核心技術(shù)。目前，開關(guān)電源正朝著數(shù)字化、模塊化、高頻化、綠色化的方向發(fā)展。伴隨著新型的電力電子器件和適用于更高開關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn)，現(xiàn)代電源技術(shù)將在社會(huì)的實(shí)際需求的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)水平下，可調(diào)脈沖電源的研制由于功率器件性能的限制而使開關(guān)電源的性能受到影響。為了極大地發(fā)揮各種功率元器件的特性，使器件性能對(duì)開關(guān)電源性能影響減至最小，新型的控制技術(shù)和新型的電源電路拓?fù)?，可使功率開關(guān)工作在零電流或零電壓狀態(tài)，從而可大大地提高開關(guān)電源的工作頻率，從而提高其工作效率，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。就整個(gè)世界而言，現(xiàn)在至少有十幾個(gè)國(guó)家在從事電磁發(fā)射的研究，美國(guó)和俄羅斯處于較領(lǐng)先的地位[4，5]。目前用于電磁發(fā)射的形式主要有電磁線圈炮、電磁軌道炮、電熱炮、電熱化學(xué)炮等，他們的關(guān)鍵部分都是脈沖電源系統(tǒng)，特點(diǎn)都是工作電壓高，輸出脈沖功率高，輸出脈沖電流大。脈沖功率源的形式有很多，以初級(jí)能源來分的話，有以電場(chǎng)形式儲(chǔ)能的 Marx 發(fā)生器或電容器，脈沖變壓器或具有磁能的電感器，具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的機(jī)械能發(fā)電機(jī)以及各類化學(xué)能和核能裝置。因?yàn)椴捎昧嘶瘜W(xué)能和核能等做初級(jí)能源時(shí)體積和重量都比較大大、成本高，所以通常采用儲(chǔ)能電感、儲(chǔ)能電容器和發(fā)電機(jī)作為初始能源。從儲(chǔ)能密度上來看，按現(xiàn)有器件極限的電氣強(qiáng)度來計(jì)算，電感、電容和發(fā)電機(jī)的最大儲(chǔ)能密度分別為 640 MJ/m7MJ/m3和135MJ/m3[6，7]。電容儲(chǔ)能密度盡管比發(fā)電機(jī)低，但易于實(shí)現(xiàn)，操作起來比較簡(jiǎn)單，而且有靈活的能源組成方案，可以以模塊化的方式聯(lián)合起來組成更大能量的儲(chǔ)能設(shè)備。就從目前的研究進(jìn)展來看，國(guó)外的研究重點(diǎn)主要放在電容器組儲(chǔ)能單極發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償交流脈沖發(fā)電機(jī)和脈沖電源等方面。為了滿足于電磁軌道的發(fā)射裝置負(fù)載特性以及輸出的波形可以靈活調(diào)節(jié)幅值高的脈沖電流，一般使用的脈沖電源系統(tǒng)由多個(gè)電容器儲(chǔ)能的脈沖功率模塊組成，同時(shí)通過采用時(shí)序控制每個(gè)模塊的放電來實(shí)現(xiàn)不同類型的負(fù)載對(duì)波形的不同要求。西方國(guó)家中，美國(guó)已經(jīng)陸續(xù)地展示了主要用于不同的作戰(zhàn)任務(wù)的脈沖電源演示系統(tǒng)[10，11]，其使用的就是電容儲(chǔ)能的脈沖形成結(jié)構(gòu)。 的電容器建立了高效靈活的 LRC 脈沖成形電源結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能可以高達(dá) 50kJ，采用了半導(dǎo)體開關(guān)，峰值電流可以高達(dá) 50kA，而且整個(gè)電源系統(tǒng)可包含 200 個(gè)脈沖成形結(jié)構(gòu)[12]。德國(guó)于 1998 年就開始能量密度為 MJ/m3的高能放電的電容器研究工作，并在 2002年研制了緊湊式的大功率放電裝置[13]。韓國(guó)于2000年建立了300kJ的脈沖電源模塊，充電電壓為22kV，電流卻高達(dá)150kA[14]，每個(gè)300kJ的模塊結(jié)構(gòu)采用了并聯(lián)的6個(gè)50kJ/22kV的高壓電容器，同時(shí)采用觸發(fā)真空開關(guān)作為關(guān)合開關(guān)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換[15]，整個(gè)系統(tǒng)由八個(gè)模塊組成，總儲(chǔ)能為 。 MJ/m充電電壓為 16kV、能量為 250kJ 的單 PFS 模塊[10]，總的 PFS 模塊能量合計(jì)已經(jīng)高達(dá) 30MJ 的水平。在采用新分子工程技術(shù)，并不斷生產(chǎn)工藝提高后，脈沖電容器儲(chǔ)能密度便得到了進(jìn)一步的提高，有利于實(shí)現(xiàn)脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化與緊湊化。我國(guó)研究電磁發(fā)射技術(shù)的工作，因?yàn)槭芨鞣矫嫱饨鐥l件因素的制約，雖然起步比較晚，起點(diǎn)比較低，但是發(fā)展非常快。1991 年中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，研制了一門長(zhǎng)達(dá) 的方膛電磁軌道大炮，它可以將 50g 彈丸加速到 3100m/s。中國(guó)科學(xué)院流體物理研究所也在 1991 年建立了目前國(guó)內(nèi)第一臺(tái)口徑為 23mm 液體工質(zhì)的電熱化學(xué)發(fā)射實(shí)驗(yàn)儀器裝置，電源總儲(chǔ)能為 1MJ，可以使 32g 彈丸加速到 1900m/s。南京理工大學(xué)在 1995 年建立了電熱化學(xué)炮的發(fā)射實(shí)驗(yàn)室，通過采用模塊化結(jié)構(gòu)，以程序控制的方式，可以提供最大電流峰值為 50～300kA，脈寬為 ～3ms 的脈沖電流[16]。圖11 一種脈沖功率源模塊電路原理圖脈沖電源是各種電源設(shè)備中比較特殊的一種，顧名思義，它的電流或電壓波形為脈沖狀。如果按照脈沖電源的輸出特性分類，有單向、雙向、高頻、低頻、圖12 各種脈沖波形高壓、低壓等不同的分類，具體選擇怎樣的輸出電流、輸出電壓和開關(guān)頻率，則需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而定。如果按照脈沖波形分類，有梯形波、矩形波、鋸齒波、三角波等多種形式。由于矩形波具有較好的可控性以及易操作性，所以以這種波形的應(yīng)用居多。追究其本質(zhì)，脈沖電源實(shí)質(zhì)上是一種通斷的直流電源，它的基本工作原理是：首先經(jīng)過慢性儲(chǔ)能，使初級(jí)能源充有足夠的能量，然后向中間儲(chǔ)能和脈沖成形結(jié)構(gòu)放電(或注入能量)，初級(jí)能量經(jīng)過儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化、壓縮形成脈沖等各種過程之后，于是形成了脈沖電源。脈沖電源的進(jìn)步速度在一定的程度上對(duì)開關(guān)器件的進(jìn)步速度有很強(qiáng)的依賴性，其在促進(jìn)開關(guān)器件發(fā)展的時(shí)候卻受制于開關(guān)器件的發(fā)展，尤其是大功率的脈沖電源對(duì)開關(guān)器件的發(fā)展具有更大的依賴性。鑒于開關(guān)器件對(duì)改善電路的性能，降低電路損耗和提高電流使用效率等方面都具有非常重要的作用，隨著GTO、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT等自關(guān)斷全控型開關(guān)器件的標(biāo)準(zhǔn)模塊化、復(fù)合化、功率集成化、智能化，脈沖電源各方面的性能都得以提高。由于脈沖電源斷續(xù)供電的特性，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域包括:脈沖電鍍、工業(yè)廢氣處理、極性相和非極性相的相分離、高頻脈沖感應(yīng)加熱、脈沖電解污水處理、產(chǎn)生高功率帶電粒子束、高功率激光泵、靜電除塵、電弧焊接、臭氧制取和表面熱處理、電火花加工等。在軍事上，脈沖電源還用于電磁脈沖模擬、電磁軌道炮、液電爆炸、粒子束武器等領(lǐng)域[19]。下面我們來介紹一下脈沖電源的幾種基本的典型應(yīng)用。l)電火花加工電火花加工就是利用熱能和電能對(duì)器件進(jìn)行加工的一門新工藝，主要包括電火花線切割加工和電火花成型加工兩個(gè)主要的組成部分，盡管兩個(gè)加工方法在表現(xiàn)形式上有所差別，但它們?cè)谠砩鲜腔鞠嗨频?。脈沖電源為電火花加工或電火花線切割提供擊穿加工介質(zhì)所需要的電壓和能量，并在間隙擊穿后提供能量以蝕除金屬，它是影響加工工藝指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣直接影響放電加工的速度、穩(wěn)定性、精度、工件表面粗糙度以及電極耐加工性。目前實(shí)驗(yàn)室常用的脈沖電源有非獨(dú)立式和獨(dú)立式兩種，非獨(dú)立式脈沖電源就是RC張馳式脈沖電源，而獨(dú)立式脈沖電源則主要采用功率開關(guān)管來作為主回路結(jié)構(gòu)的開關(guān)控制元器件。伴隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展、電力電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷豐富，通過電火花來加工脈沖電源的技術(shù)也得到了很大的進(jìn)步和提升。其研究趨勢(shì)主要有以下幾方面的[20，21，22，23]；（1）節(jié)能型無(wú)限流電阻式。此電源的關(guān)鍵是通過采用限流電感這種電感不損耗能量，來替換限流電阻，從而達(dá)到節(jié)能。目前，國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制過相應(yīng)的電火花節(jié)能機(jī)床，國(guó)外的瑞士阿奇和三菱電機(jī)公司也有所涉獵。（2）電火花精微加工式。此電源的關(guān)鍵是通過控制脈沖放電的能量，提升表面加工質(zhì)量。圖1圖14所示為山東工業(yè)大學(xué)研制的電火花精微加工式電源示意圖，與RC電源相比，其生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量要好很多。國(guó)外三菱公司推出了FS超精加工型配以專用的電極絲，可以加工微細(xì)表面，沙迪克公司的精加工的SQ電源，則可加工鏡面。（3）智能化型。智能化的高頻脈沖是根據(jù)加工的狀態(tài)，自動(dòng)選擇最佳脈沖參數(shù)的一類電源，與傳統(tǒng)的等能量或等頻域的脈沖信號(hào)電源相比，大大提高了自動(dòng)化程度，加工過程一直處于優(yōu)化狀態(tài)，使加工狀態(tài)穩(wěn)定持續(xù)。（4）無(wú)電解型。這種電源在加工過程中無(wú)電解，不會(huì)產(chǎn)生電解變質(zhì)層，從而可以升工件的表面器件加工質(zhì)量。國(guó)外的一些公司諸如三菱電機(jī)公司，沙迪克公司都研制過此類電源。圖13 電火花加工示意圖圖14 精微加工脈沖電源原理示意圖2)脈沖電鍍電源傳統(tǒng)的電鍍電流一般采用直流電流，采用脈沖電鍍可以產(chǎn)生比直流電鍍更優(yōu)化的性能。脈沖電鍍可以高效地控制金屬電沉積，可以通過改變脈沖參數(shù)來改善電鍍層的物理性能和化學(xué)性能，從而不僅可以節(jié)省貴金屬的使用還可以獲得功能性鍍層。脈沖電流的波形通常有方波、鋸齒波、三角波和階梯波等，但是就目前的市場(chǎng)應(yīng)用情況而言，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為普遍的方波脈沖，所以高校和企業(yè)對(duì)脈沖電鍍的研究也多圍繞方波進(jìn)行展開。由方波脈沖演變過來的脈沖形式有疊加性的直流脈沖、間斷性脈沖和周期性換向脈沖。疊加性的直流脈沖主要是在直流基波的基礎(chǔ)上疊加了方波脈沖。目前這種方法在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用比較多，其中大多數(shù)都是以獲得高度致密性同時(shí)具有一定的光潔度的鍍層為目的。間斷性脈沖是周期性的一種脈沖中斷，因?yàn)榇嬖陂g斷時(shí)間，比較容易恢復(fù)放電離子，可以使得極限脈沖電流的密度得以提高[23]。半個(gè)世紀(jì)以來，在環(huán)境污染治理保護(hù)領(lǐng)域中，脈沖電源的技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，表現(xiàn)出了應(yīng)用前景的廣闊性，因而脈沖電源的技術(shù)在環(huán)境工程方面的應(yīng)用也逐漸成為各國(guó)學(xué)術(shù)的研究熱點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[24]。(1)脈沖電暈等離子體法凈化工業(yè)廢氣利用等離子體脈沖電暈法使廢氣得以進(jìn)化是近十年剛剛興起的一項(xiàng)新技術(shù)，是目前各國(guó)環(huán)境污染治理方面新興技術(shù)方法的研究重點(diǎn)。這類脈沖電源常見的形式結(jié)構(gòu)有脈沖變壓器式電源、磁壓縮式電源和空心變壓器(Tesla)諧振充電式電源。其中脈沖變壓器式電源技術(shù)比較成熟，于是獲得了廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖15。從國(guó)內(nèi)外目前的研究情況來看，可以利用納秒級(jí)高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體化學(xué)技術(shù)凈化的廢氣有:二氧化硫、氮氧化物（NOx）、甲苯（C6H5CH3）、二甲苯、二氯甲烷（CH2Cl2）、己醇(C6H13OH)等。脈沖電暈等離子體法脫氮脫硫的技術(shù)在市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，也是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的重點(diǎn)研究方向。八國(guó)集團(tuán)中的美國(guó)、俄羅斯、日本、意大利、荷蘭等國(guó)積極開展研究，中國(guó)也曾將該研究列為“九五”計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目。脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)的主要研究重點(diǎn)是如何研制高壓窄脈沖電源、如何使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、如何脫硫脫氮、如何理解等離子體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及如何選取添加劑等。 圖15 脈沖變壓器式脈沖電源(2)高壓脈沖放電廢水處理鑒于實(shí)現(xiàn)高能化用高電壓與絕緣技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)，近年來將高電壓與絕緣技術(shù)用于處理比較難以處理工業(yè)污水的研究已經(jīng)激發(fā)了國(guó)內(nèi)外研究者們的很大的興趣。李勁、李勝利兩人提出了高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)。高壓脈沖放電廢水處理技術(shù)主要是利用以下四種效應(yīng):臭氧殺菌、高能電子轟擊、放電等離子體中產(chǎn)生的活性自由基的作用、紫外線的光化學(xué)處理作用。高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)使得放電生產(chǎn)的臭氧與水直接融合作用，可以極大地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)臭氧凈水技術(shù)中氣體干燥、電極冷卻和水氣混合等程序，可以使裝置體積變小，不僅避免了臭氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的遞增而衰減，而且可以充分發(fā)揮放電產(chǎn)生的活性粒子的凈化效果。所以，與以前的臭氧凈水方法相比較而言，高壓脈沖等離子體水處理顯然具有更好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。高壓脈沖放電廢水處理的研究重心主要集中在高等離子體生成法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和壓脈沖電源的設(shè)計(jì)。(3)脈沖靜電除塵傳統(tǒng)靜電除塵通常采取直流高壓的供電方式。在這樣的供電方式下，粉塵層等效電容效應(yīng)容易引起反電暈現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致除塵率的下降。當(dāng)用脈沖電源供電時(shí)，除塵器上面的粉塵層的等效電容在脈沖施加期間