高壓直流電源技術的發展現狀及應用

Date: 2013-01-09Views: 334

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電能轉變成特種形式的高壓電源的一種電子儀器設備,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。高壓直流電源已經廣泛應用于各行各業,農業領域也有應用,例如農業環境靜電除塵,靜電噴霧殺蟲,農業物料靜電噴涂包裹,農產品加工中的靜電植絨、農業生物靜電效應研究、靜電殺菌、農業種子靜電處理等等。隨著農業科學技術的不斷發展進步,農業科學研究和農業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,現有的高壓直流電源已經不能滿足農業領域中的許多需要,研究和開發適合農業領域要求的多種新型直流高壓電源已經成為一種客觀需求,而且其社會效益和經濟效益都比較顯著,市場前景比較光明。

 

回顧高壓直流電源發展歷史,高壓直流電源最初是將工頻電壓直接經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。隨著科學技術的發展,后來高壓直流電源才發展到了線性高壓直流電源。

圖1 典型線形高壓直流電源示意

 

2 高壓直流電源近年來的發展

 

     20世紀70年代世界電源史上發生了一場革命,即20Hz的開關頻率結合脈寬調制技術(PWM)在電源領域的應用。到目前為止,電源的頻率已經達到數百Hz,應用先進的準諧振技術甚至可以達到兆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構體積,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,隨著電子電力技術的發展,新一代功率器件,如MOSFET,IGBT等應用,高頻逆變技術的逐步成熟,出現了高壓開關直流電源,同線性電源相比較高頻開關電源的突出特點是:效率高、體積小、重量輕、反應快、儲能少、設計、制造周期短。由于它的優越特性,現在已逐漸取代了傳統的高壓線性直流電源。

 

圖2是高壓開關直流電源示意圖。同圖1相比較,它采用了脈寬調制技術,PWM技術和BUCK變換器結合以及PWM技術和逆變器技術結合,實現了高壓開關直流電源輸出電壓穩壓和輸出電流的限流功能。

圖2 典型開關高壓直流電源示意

 

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

 

3 高壓直流電源發展中的問題和難點

 

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

 

(1)關鍵功率新部件的應用:

 

①快速轉換器件,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)先進變換技術的發展:

 

①零電流串聯和并聯諧振開關技術(即ZCS);

 

②零電壓LCC諧振逆變技術(即ZVS);

 

③軟開關和相控諧振技術;

 

④正反激勵和推挽逆變器技術。

 

(3)伴隨著高新技術的逐步應用,新的技術問題也隨之出現,主要表現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。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存,出現了新的技術難點:

 

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計是目前研究的一個難點和熱點問題。最近出現的平面變壓器在設計理念上不同于傳統的設計方式,普通平面變壓器已經投入生產和應用,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。

 

(4)由于高壓電源的頻率很高,導致功率開關器件開斷頻繁,能耗增大,這就對逆變器的拓撲結構應有所選擇。采用軟開關和同步整流技術,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合的技術,通過電壓或電流的諧振,使開關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計。

 

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

 

4 國內外高壓直流電源發展的簡單現狀

 

     目前,國外高壓開關直流電源比較成熟,像Spellman、Classman等高壓電源公司已生產出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源,然而價格比較昂貴,國內直流高壓開關電源研究起步較晚,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電源方面,國內還沒有形成批量生產能力,國內廠商,比如大連電源技術有限公司、河南舞鋼規劃設計研究所等生產的高壓直流電源,價格均在數萬元以上,相對農業應用而言還是比較昂貴的。目前在農業領域中,迫切需要物美價廉,能滿足多種不同工況要求的多規格、多品種、系列化的高質量、高性能的高壓直流電源。

 

5 結束語

 

      我國是一個農業大國,農業生產領域需要的科學技術非常之多,有些領域對高壓直流電源技術的需要十分迫切,但目前能適合農業領域要求的高壓直流電源很少,針對農業領域的具體情況,研究開發多種高壓直流電源具有較強的現實意義,也蘊藏著很大的商機。


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