1 引言
在机电和轻工业等产品生产中，将具有一定的涂料涂附在制品表面，经过固化形成涂膜，可对制品起到保护和装饰。因此，现代涂装技术已经成为一项不可缺少的新工艺，应用范围越来越广泛。而静电喷涂就是一种较新的涂装工艺。与普通的涂装工艺相比，具有涂料雾飞散量少，可节约涂料10％~ 40％；同时可减少环境污染，改善劳动条件，容易实现机械化和自动化；涂装过程在机械力和高压静电电场下进行，涂膜性能优良。这已经广泛的应用于汽车，各类电器如电冰箱空调和五金制品的表面喷涂工艺中。
静电喷涂是依据静电场对电荷的作用原理而实现。如图1静电喷枪的枪头接高压负极，零件接高压正极，这样枪头与零件之间就形成了静电场。当电压足够高时，枪头附近区域内的空气产生强烈的电晕放电，形成了气体电离区域。当静电喷枪将涂料喷出，涂料微粒接触喷头边缘或喷嘴处的极针而带电，在同性相排斥的力的作用下，颗粒离开喷嘴一小段距离便散开雾化，静电场越强，颗粒散开雾化的效果越好。雾化的颗粒当经过气体电离区域时再带电。这些带电的涂料微粒在电场力的作用下向异极的零件表面运动，被附着并沉积在零件表面，形成了均匀的涂膜。
由静电喷涂的原理可知，高压电源是产生强静电场的关键核心。静电喷涂要求高压电源能够输出一个足够大的，连续可调的高电压，并且这个高电压具有很强的动态特性，系统能对过流进行限定，低损耗，体积小，重量轻，价格低廉。目前常用的电压是40~120kV，功率消耗100W左右，输出电流500μA左右。
近年来随着一些新型的静电喷枪的研制成功，与其配套的高频电压发生器的输出电压可以提高到140~160kV，功率也相应的提高。
随着半导体技术的发展，高频高压静电发生器正向微型化发展，有的手提式静电喷枪，高频高压静电发生器就装置在喷枪内，外面的电缆线只要输入12~20V之间的低压电即可，如美国格雷格公司的高频高压发生器，采用微型气轮机带动摩擦轮发电，经过大规模集成线路板变压可产生40~120kV高压，这种新型高频高压发生装置安全可靠，性能优越，还有法国SAMES公司最近生产的GNM100，GNM200控制系统，内部采用了单片机控制并配有液晶显示外部键盘控制，可以通过键盘根据负载情况预设电压和电流值，并通过液晶显示目前工作情况，是目前较新的高智能产品，高智能化是以后国内高压静电喷涂电源发展的趋势。
2 静电喷涂电源产生的基本电路
2.1 静电喷涂电源的特点及其普通非谐振型电路
静电喷涂电源实际上是高压直流电源，其拓扑可以分为非谐振和谐振型。非谐振型可以采用DC-DC变换，如图2就是采用非谐振推挽拓扑，也可以采用反激式如图3。但是在高压电源中，由于采用了高压变压器，原边和副边的变比很大，产生很大的寄生电容这就加剧了变压器的非线性，这是高压静电电源的一个特点。如图4由于漏电感L1和寄生电容Cp，严重的影响了电路原有的特性。漏电感会引起尖峰电压，损坏器件；寄生电容会引起尖峰电流并使上升沿产生延迟。此外如果采用图2图3的拓扑，由于高压变压器的原边需要的是高频的交流电，变换器工作于硬开关，开关损耗比较大。
如果在输出上加上输出滤波电感，相对于高频高压变压器而言，这个电感是巨大而价格昂贵，但是高压电路中如果除去输出滤波电感并不会降低变换器的性能，参见[5]，由它的电路波形图可以看出除去滤波电感后并没有增加电路的体积和导致尖峰电流，这是高压电路的另一个特性。
2.2 LC 并联负载谐振电路(PRC)[3]
谐振电路一般不采用串联负载谐振，因为它并没有利用到变压器的寄生电容。如图5的并联谐振的高频变压器原边的电容C7就是高压变压器的寄生电容，与电路上的总电感L3构成并联负载谐振电路。这样通过LC的并联谐振一方面为开关管的提供零电压开通的条件，减小开通；另一方面在电容上产生高频的正弦交流电压，为后级的高压倍压整流电路提供输入高频交流电，使电容上的电压能快速的充电，其原理见后。谐振电感需要外部增加电感量来提高电路的特性阻抗，相对而言如果靠在副边增加谐振电容，那么谐振电容上承受的电压是很大的。
LC并联谐振电路的工作特点是：1)高于谐振频率工作，即

变换器为电流连续工作方式，谐振回路呈感性，谐振电感电流滞后于电压，此时开关管为零电压开通，但为硬关断；2)为了实现开关管的零电流开通和零电压关断，应在电路中加入饱和电感（或线性电感）或吸收电容；3)电路由于谐振电感的限流作用，本身具有抗过流抗短路作用；4)当电路开路时（即负载电阻R无穷大），变换器要避免工作于谐振点，因为会产生过电流和在谐振电容上产生很高的过电压而烧坏变换器；5)由于谐振频率会随着负载电阻的增加而增加，因为静电喷涂工作时电流很小，几乎相当于开路，并且等效负载会随着喷涂颜料的情况而变化，所以变换器的工作频率要保证大于最大负载电阻下的谐振频率；6)并联谐振的缺点是如果采用全桥拓扑，高压变压器很容易出现饱和问题；此外谐振变换器的电流依赖于负载状况，变换器的效率在轻载的情况下较低。
2.3 串并联谐振(SPRC)图 6[3][4]
SPRC电路同样吸收了高压变压器的漏电感和寄生电容，图中经过等效电路变换可得谐振频率

CsRs是由C2R2等效变换而得，然后其分析过程和串联谐振电路一样。串并联谐振克服了并联谐振的缺点，并具有串联谐振和并联谐振的优点。在轻载或无负载的情况下输出都可控，在轻载下效率也很高。开关工作频率要大于谐振频率。但是其过程分析较为复杂，不易设计。
2.4 采用移相全桥 ZCS 拓扑[5]
对于较大功率的高压直流电源可以采用如图7，该谐振变换器不仅吸收了高压变压器的寄生参数，而且还吸收了整流二极管的寄生电容来实现开关管的零电流开关，而整流二极管实现ZVS。开关管工作频率恒定，实现移相控制。
3 系统控制方案[6]
谐振电路采用调频调占空比的控制方案，见图8。当按照反馈回来的电压信号采用前级DC-DC进行调压稳压，当占空比低到一定程度时，系统会出现不稳定，这时可以通过后级半桥谐振电路调频来降低电压，从而使电压稳定，谐振电路的频率和输出电压特性见图9。但控制相对复杂，对一般的要求可以设计只调节前级的占空比，后级在一定的频率下谐振，即不调频只要开关频率大于电路的谐振频率就可以实现电路较好的性能，因此开关频率要有裕量。
4 高压变压器，倍压整流电路，输出滤波电容的   设计
4.1 高压变压器的制作[2]
由于高压变压器含有寄生参数，见图4。为了避免层与层之间的电压和电弧的产生，可以采用星型变压器（见图9），原边具有N1匝，副边每一个角具有相同的匝数N2，然后串联起来，这种方法不但可以大大减小寄生电容和漏电感，使电路工作于更高的频率，降低了谐波的EMI，同时改善了输出电压的调整率。
对于设计谐振变换器，高压变压器的寄生参数的计算尤为重要，对于n=2，漏电感

计算寄生电容Cs需要知道材料的介电常数和几何尺寸：

作者简介
蔡昌文，1977年生，硕士，主攻特种电源。
张波，1962年生，教授，主攻电力电子，交流驱动，软开关。