高压直流电源技术的发展现状及应用

一、高压直流电源的基本工作原理和应用

高压直流电源是将工频电网电能转变成特种形式的高压电源的一种电子仪器设备，高压直流电源按输出电压极性可分为正极性和负极性两种。高压直流电源已经广泛应用于各行各业，农业领域也有应用，例如农业环境静电除尘，静电喷雾杀虫，农业物料静电喷涂包裹，农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等。 随着农业科学技术的不断发展进步，农业科学研究和农业工程应用实践对高压静电电源的需求逐年增多，对其精度、性能、规格、品种、类型、体积、智能化操作等方面都提出了许多新的要求，现有的高压直流电源已经不能满足农业领域中的许多需要，研究和开发适合农业领域要求的多种新型直流高压电源已经成为一种客观需求，而且其社会效益和经济效益都比较显著，市场前景比较光明。 回顾高压直流电源发展历史，高压直流电源最初是将工频电压直接经高压变压器升压后整流滤波，或升压后再倍压整流后得到高压的。随着科学技术的发展，后来高压直流电源才发展到了线性高压直流电源。

二、高压直流电源近年来的发展

20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命，即20Hz的开关频率结合脉宽调制技术(PWM)在电源领域的应用。到目前为止，电源的频率已经达到数百Hz，应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆Hz水平。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小高压电源体积。高频化使高压电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。 近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源，同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电源。 高压开关直流电源相比较，它采用了脉宽调制技术，PWM技术和BUCK变换器结合以及PWM技术和逆变器技术结合，实现了高压开关直流电源输出电压稳压和输出电流的限流功能。 目前，世界各国正在大力研制开发新型高压高频电源，包含新的电源理论、新型模块化电路、新型电子器件等，以满足电子设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。

三、高压直流电源发展中的问题和难点

随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现，并不断地被应用于开关电源，使得开关电源的性能不断提高，特点不断更新，出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。现代的高压开关直流电源有两大技术特别突出。 (1)关键功率新部件的应用： ①快速转换器件，像晶体管、功率MOSFETS、IGBTS、SCRS等； ②低功耗、高性能，适用于高频的新型变压器铁心材料的应用，比如铁氧体、非晶材料等； ③低耗散因素的大容量电容的发展和应用； ④低前向电压降的快速整流器应用等。 (2)先进变换技术的发展： ①零电流串联和并联谐振开关技术(即ZCS)； ②零电压LCC谐振逆变技术(即ZVS)； ③软开关和相控谐振技术； ④正反激励和推挽逆变器技术。 (3)伴随着高新技术的逐步应用，新的技术问题也随之出现，主要表现在高频化可以提高电源性能，减少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点： ①高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出； ②大的电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件； ③高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。 鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。最近出现的平面变压器在设计理念上不同于传统的设计方式，普通平面变压器已经投入生产和应用，如果高频高压变压器也能平面化，将会再次大大缩小电源体积，提高其工作效率。 (4)由于高压电源的频率很高，导致功率开关器件开断频繁，能耗增大，这就对逆变器的拓扑结构应有所选择。采用软开关和同步整流技术，可有效降低伴随高频化带来的损耗。同时采用逆变器和准谐振电路相结合的技术，通过电压或电流的谐振，使开关打开或断开时电压或电流为零，使能耗大大减小。为了减少变压器漏感的不利影响，可以将变压器漏感作为逆变器的一部分，即逆变–谐振–变压器漏感，用一体化思想进行整体设计。 (5)在控制检测部分，高频高压开关电源采用了数字集成电路(IC)，而不像线性电源完全是模拟电路。开关电源以模拟方式控制输出电压，以数字方式进行开关操作，高精度而稳定地输出电压。采用数字控制技术，可进行连续和不连续模式的转换，采用PWM(脉宽调制技术)和PFM(频率调制技术)，和DC－DC(直流–直流)变换器、逆变器等技术，出现了强电弱电间的相互影响加强。检测部位的高压电压(近10kV)，对后续的电子元器件(精密电阻等)提出了更高的性能要求。

四、国内外高压直流电源发展的简单现状

目前，国外高压开关直流电源比较成熟，像Spellman、Classman等高压电源公司已生产出小型化、高效化、智能化的高压直流电源，然而价格比较昂贵，国内直流高压开关电源研究起步较晚，与先进国家相比有较大差距。尤其在高频、高性能直流高压开关电源方面，国内还没有形成批量生产能力，国内厂商，比如大连电源技术有限公司、河南舞钢规划设计研究所等生产的高压直流电源，价格均在数万元以上，相对农业应用而言还是比较昂贵的。目前在农业领域中，迫切需要物美价廉，能满足多种不同工况要求的多规格、多品种、系列化的高质量、高性能的高压直流电源。