高壓直流電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應用

關(guān)鍵詞：靜電　高頻高壓　直流電源　高頻高壓變壓器　PWM高頻化

1　高壓直流電源的基本工作原理和應用

　　高壓直流電源是將工頻電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變成特種形式的高壓電源的一種電子儀器設(shè)備，高壓直流電源按輸出電壓極性可分為正極性和負極性兩種。高壓直流電源已經(jīng)廣泛應用于各行各業(yè)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有應用，例如農(nóng)業(yè)環(huán)境靜電除塵，靜電噴霧殺蟲，農(nóng)業(yè)物料靜電噴涂包裹，農(nóng)產(chǎn)品加工中的靜電植絨、農(nóng)業(yè)生物靜電效應研究、靜電殺菌、農(nóng)業(yè)種子靜電處理等等。隨著農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的不斷發(fā)展進步，農(nóng)業(yè)科學研究和農(nóng)業(yè)工程應用實踐對高壓靜電電源的需求逐年增多，對其精度、性能、規(guī)格、品種、類型、體積、智能化操作等方面都提出了許多新的要求，現(xiàn)有的高壓直流電源已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的許多需要，研究和開發(fā)適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域要求的多種新型直流高壓電源已經(jīng)成為一種客觀需求，而且其社會效益和經(jīng)濟效益都比較顯著，市場前景比較光明。

　　回顧高壓直流電源發(fā)展歷史，高壓直流電源最初是將工頻電壓直接經(jīng)高壓變壓器升壓后整流濾波，或升壓后再倍壓整流后得到高壓的，其基本原理如圖1所示。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，后來高壓直流電源才發(fā)展到了線性高壓直流電源。

2　高壓直流電源近年來的發(fā)展

　　20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命，即20Hz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）在電源領(lǐng)域的應用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達到數(shù)百Hz，應用先進的準諧振技術(shù)甚至可以達到兆Hz水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積，進而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實用性和使用方便性明顯得到改善。

　　近幾年，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應用，高頻逆變技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源，同線性電源相比較高頻開關(guān)電源的突出特點是：效率高、體積小、重量輕、反應快、儲能少、設(shè)計、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。

　　圖2是高壓開關(guān)直流電源示意圖。同圖1相比較，它采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，PWM技術(shù)和BUCK變換器結(jié)合以及PWM技術(shù)和逆變器技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源輸出電壓穩(wěn)壓和輸出電流的限流功能。

　　目前，世界各國正在大力研制開發(fā)新型高壓高頻電源，包含新的電源理論、新型模塊化電路、新型電子器件等，以滿足電子設(shè)備小型化、高效化和高性能化的時代發(fā)展要求。

3　高壓直流電源發(fā)展中的問題和難點

　　隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷地被應用于開關(guān)電源，使得開關(guān)電源的性能不斷提高，特點不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。現(xiàn)代的高壓開關(guān)直流電源有兩大技術(shù)特別突出。

　　（1）關(guān)鍵功率新部件的應用：

①快速轉(zhuǎn)換器件，像晶體管、功率MOSFETS、IGBTS、SCRS等；

②低功耗、高性能，適用于高頻的新型變壓器鐵心材料的應用，比如鐵氧體、非晶材料等；

③低耗散因素的大容量電容的發(fā)展和應用；

④低前向電壓降的快速整流器應用等。

　　（2）先進變換技術(shù)的發(fā)展：

①零電流串聯(lián)和并聯(lián)諧振開關(guān)技術(shù)（即ZCS）；

②零電壓LCC諧振逆變技術(shù)（即ZVS）；

③軟開關(guān)和相控諧振技術(shù)；

④正反激勵和推挽逆變器技術(shù)。

　?。?）伴隨著高新技術(shù)的逐步應用，新的技術(shù)問題也隨之出現(xiàn)，主要表現(xiàn)在高頻化可以提高電源性能，減少變壓器的體積和紋波系數(shù)。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存，出現(xiàn)了新的技術(shù)難點：

①高頻高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗變小，絕緣問題異常突出；

②大的電壓變化比使變壓器的非線性嚴重化，漏感和分布電容都增加，使其必須與逆變開關(guān)隔離，否則尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作，甚至會擊穿功率器件；

③高頻化導致變壓器的趨膚效應增強，使變壓器效率降低。

　　鑒于上述情況，高頻高壓變壓器如何設(shè)計是目前研究的一個難點和熱點問題。最近出現(xiàn)的平面變壓器在設(shè)計理念上不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方式，普通平面變壓器已經(jīng)投入生產(chǎn)和應用，如果高頻高壓變壓器也能平面化，將會再次大大縮小電源體積，提高其工作效率。

　?。?）由于高壓電源的頻率很高，導致功率開關(guān)器件開斷頻繁，能耗增大，這就對逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)應有所選擇。采用軟開關(guān)和同步整流技術(shù)，可有效降低伴隨高頻化帶來的損耗。同時采用逆變器和準諧振電路相結(jié)合的技術(shù)，通過電壓或電流的諧振，使開關(guān)打開或斷開時電壓或電流為零，使能耗大大減小。為了減少變壓器漏感的不利影響，可以將變壓器漏感作為逆變器的一部分，即逆變——諧振——變壓器漏感，用一體化思想進行整體設(shè)計。

　?。?）在控制檢測部分，高頻高壓開關(guān)電源采用了數(shù)字集成電路（IC），而不像線性電源完全是模擬電路。開關(guān)電源以模擬方式控制輸出電壓，以數(shù)字方式進行開關(guān)操作，高精度而穩(wěn)定地輸出電壓。采用數(shù)字控制技術(shù)，可進行連續(xù)和不連續(xù)模式的轉(zhuǎn)換，采用PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)）和PFM（頻率調(diào)制技術(shù)），和DC－DC（直流——直流）變換器、逆變器等技術(shù)，出現(xiàn)了強電弱電間的相互影響加強。檢測部位的高壓電壓（近10kV），對后續(xù)的電子元器件（精密電阻等）提出了更高的性能要求。

4　國內(nèi)外高壓直流電源發(fā)展的簡單現(xiàn)狀

　　目前，國外高壓開關(guān)直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司已生產(chǎn)出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價格比較昂貴，國內(nèi)直流高壓開關(guān)電源研究起步較晚，與先進國家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開關(guān)電源方面，國內(nèi)還沒有形成批量生產(chǎn)能力，國內(nèi)廠商，比如大連電源技術(shù)有限公司、河南舞鋼規(guī)劃設(shè)計研究所等生產(chǎn)的高壓直流電源，價格均在數(shù)萬元以上，相對農(nóng)業(yè)應用而言還是比較昂貴的。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，迫切需要物美價廉，能滿足多種不同工況要求的多規(guī)格、多品種、系列化的高質(zhì)量、高性能的高壓直流

5　結(jié)束語

　　我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需要的科學技術(shù)非常之多，有些領(lǐng)域?qū)Ω邏褐绷麟娫醇夹g(shù)的需要十分迫切，但目前能適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域要求的高壓直流電源很少，針對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的具體情況，研究開發(fā)多種高壓直流電源具有較強的現(xiàn)實意義，也蘊藏著很大的商機。