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高壓直流電源技術的發(fā)展現(xiàn)狀及應用

時間:2008-10-29 10:10:00來源:fenghy

導語:?本文介紹了高壓直流電源在農(nóng)業(yè)領域中的一些應用,對高壓線性直流電源和高壓高頻直流電源做了性能比較,提出了在農(nóng)業(yè)領域需要質(zhì)優(yōu)價廉的多種高壓直流電源和研究開發(fā)新型高壓直流電源的現(xiàn)實意義
摘要:本文介紹了高壓直流電源在農(nóng)業(yè)領域中的一些應用,對高壓線性直流電源和高壓高頻直流電源做了性能比較,提出了在農(nóng)業(yè)領域需要質(zhì)優(yōu)價廉的多種高壓直流電源和研究開發(fā)新型高壓直流電源的現(xiàn)實意義。 關鍵詞: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)領域中的許多需要,研究和開發(fā)適合農(nóng)業(yè)領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。
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(fā)展 20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命,即20Hz的開關頻率結(jié)合脈寬調(diào)制技術(PWM)在電源領域的應用。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,隨著電子電力技術的發(fā)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(xiàn)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(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是高壓開關直流電源示意圖。同圖1相比較,它采用了脈寬調(diào)制技術,PWM技術和BUCK變換器結(jié)合以及PWM技術和逆變器技術結(jié)合,實現(xiàn)了高壓開關直流電源輸出電壓穩(wěn)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(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、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電源,使得開關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?,F(xiàn)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(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)先進變換技術的發(fā)展: ①零電流串聯(lián)和并聯(lián)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(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(xiàn)的平面變壓器在設計理念上不同于傳統(tǒng)的設計方式,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。 (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(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)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(shù)字方式進行開關操作,高精度而穩(wěn)定地輸出電壓。采用數(shù)字控制技術,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)和PFM(頻率調(diào)制技術),和DC-DC(直流——直流)變換器、逆變器等技術,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(nèi)還沒有形成批量生產(chǎn)能力,國內(nèi)廠商,比如大連電源技術有限公司、河南舞鋼規(guī)劃設計研究所等生產(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)領域需要的科學技術非常之多,有些領域?qū)Ω邏褐绷麟娫醇夹g的需要十分迫切,但目前能適合農(nóng)業(yè)領域要求的高壓直流電源很少,針對農(nóng)業(yè)領域的具體情況,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。

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