高壓水射流清洗技術是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術，具有清洗速度快、效率高、成本低、清潔環保、不腐蝕損傷基體、適用范圍廣、易于實現自動化和智能化控制等優點，可清洗形狀結構復雜的零部件[1]。近年來，隨著自動控制技術的不斷發展，工業自動化水平日益提高。為了提高高壓水射流設備的清洗效率和清洗效果，有研究人員將自動控制技術運用到射流清洗過程中。其清洗效果和清洗效率相對于傳統的人工清洗有了很大的提升，但該過程對于控制系統的實時性、穩定性具有較高的要求。因而作為控制系統的驅動部分，直流電源輸出的快速性、穩定性也有較高的要求。
傳統的驅動電源多以線性直流穩壓電源為主，由于電壓調整功能的器件始終工作于線性放大區，因而在應用過程中存在著功耗大、能量轉換效率低、輸出響應速度慢等問題。這為線性直流電源的應用帶來了很大的局限性。近年來，隨著電力電子功率器件的不斷發展，開關電源得到了越來越廣泛的應用，其相關的技術及發展現狀如文獻[2]所述。開關電源具有較多的優點。如內部功率損耗小、轉換效率高。隨著超高頻功率變換技術[3]的不斷發展與應用，開關電源的轉換效率可以大幅度提高，其轉換效率可高達90%以上，即達到文獻[4]所述合理使用能源、減少能量損耗的目的。而且開關電源由于沒有傳統的工頻變壓器，散熱器相對較小，因而具有體積小、重量輕的特點。開關電源不僅具有以上所說的優點，與其相應的電路的控制方法也比較多，如循環控制方法[5]、滯環控制方法[6]、移相控制方法[7]等。設計人員可以根據實際應用的要求和需要，靈活地選用各種類型的開關電源電路和控制方法。
本文針對傳統線性直流穩壓電源與開關直流電源的以上特點，結合射流清洗設備的觸摸屏驅動電源輸入輸出響應要求。設計了一種基于傳統線性直流電源電路的開關電源電路結構，文中首先給出了相應的電路結構，并對相應的工作原理做了簡要說明，其次給出了仿真結構圖的搭建方法及結果分析，最后給出了所得結論。
1 傳統線性直流電源概述
傳統的線性直流電源采用的一般結構形式如圖1所示，圖中Ui為電網中引入的220 V工頻交流電，T為變壓器，U為整流器，D1為二極管，R1~R6均為電阻，C1為穩壓電容，Dz為穩壓管，VT1、VT2為工作在線性狀態的開關管，RL為負載電阻。
工作原理簡述如下：工頻交流電Ui，經降壓變壓器T變為幅值可調的交流電，然后經整流器U整流為脈動的直流電，最后經濾波、緩沖、輸出反饋、穩壓為負載提供直流穩壓電源。在線性直流電源中開關管工作在線性放大狀態，直流穩壓電路的種類較多，為了不失線性直流電源的一般化，此處選取常用的帶放大環節的串聯型穩壓電路，其中VT1為功率調整管，VT2與R3組成比較放大電路。
假設變壓器T的一次側電壓為U1，二次側電壓為U2，變壓比為n：1，負載電壓為Uo，Ui為工頻電網電壓，若不計及變壓器一次側損耗、變壓器漏抗。則當空載時，負載獲得的平均電壓最大為：
實際設計時，往往根據負載的情況確定電容C1的值。
2 引入Buck變換器的直流穩壓電源
2.1 Buck變換器的結構及工作原理
Buck變換器原理圖如圖2所示，其中Ui為直流電源，V為IGBT（絕緣柵雙極晶體管），D為二極管，L為電感，C為電容，R、RL均為電阻。
其工作原理簡述如下：在某一時刻，驅動信號控制開關管V導通，電源Ui向負載RL供電，負載電壓Uo=Ui，負載電流io按指數曲線上升。當開關管V關斷時，負載電流經二極管D續流，負載電壓Uo近似為0，負載電流呈指數曲線下降。若所取電感L值較大，則負載電流連續且輸出脈動較小[8]。
假設V的一個通斷周期為T，導通時間為ton，關斷時間為toff，導通占空比為α，則負載電壓的平均值：
由式(3)可知，輸出到負載的電壓平均值Uo最大為Ui，減小占空比α，Uo隨之減小。
2.2 引入Buck變換器的直流穩壓電源
由于傳統線性直流電源存在的上述問題，本文將Buck變換器引入其中，同時去除了前置的交流變壓器，將線性直流電源變換為體積小、重量輕的開關電源。其電路原理圖如圖3所示，其中Ui為電網引入的220 V工頻交流電，U為整流器，C1為濾波電容，C2為穩壓電容，C3為緩沖電容，V1、V2為IGBT開關管，VD1、VD2、VD3均為二極管，L1、L2為電感，R1、RL為電阻。
其工作原理簡述如下：
220 V工頻交流電，經整流器U整流得到紋波較大的直流電，經濾波電容C1濾波，然后經穩壓裝置穩壓形成較為穩定的直流電。其輸出到負載的功率，可由后置的Buck變換器進行調節，通過調節主開關管V1的占空比，即可得到輸出功率合適的直流電。圖中V2、VD1、L1、C3構成輔助電路，其作用是實現主開關管的零電壓關斷與開通。
假設V1的導通比為α，負載電壓為Uo，電容C1兩端的電壓為Uc1，Ui為電網電壓的有效值，若不計及電路中電感的感抗，則當空載時，負載獲得的電壓最大為：
由上述分析不難看出，含Buck變換器的直流電源比線性直流電源更容易進行調節，通過控制開關管的導通比可以滿足不同直流輸出的要求。而線性直流電源的輸出受負載的大小影響較大，而較難實現不同直流電源實時輸出的要求。
在高壓水射流的應用中，對于系統響應的實時性有較高的要求，在不同的應用環境下負載往往存在較大的變化。因而，通過以上理論分析可以看出，含Buck變換器的直流電源能夠更好的適應高壓水射流的應用需求，下面通過仿真實驗分析加以說明。