高压直流电源技术的发展现状及应用

摘要：本文介绍了高压直流电源在农业领域中的一些应用，对高压线性直流电源和高压高频直流电源做了性能比较，提出了在农业领域需要质优价廉的多种高压直流电源和研究开发新型高压直流电源的现实意义。

关键词：静电　高频高压　直流电源　高频高压变压器　PWM高频化

1　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，其基本原理如图1所示。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。

图1　典型线形高压直流电源示意

2　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。

图2是高压开关直流电源示意图。同图1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。

图2　典型开关高压直流电源示意

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。

3　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