等離子體污水處理高壓直流電源研究

摘要：將倍壓諧振整流技術引入等離子體污水處理高壓直流電源研究，以移相全橋變換器為研究對象，分析其工作原理、初級開關管零電壓零電流開關(ZVZCS)條件、次級二極管零電流開關(ZCS)條件及占空比丟失問題改善情況。仿真及實驗結果表明倍壓諧振整流技術解決了次級二極管反向恢復問題，有效降低了次級二極管電壓應力及次級變壓器匝數(shù)。
關鍵詞：高壓直流電源；倍壓諧振整流；移相全橋

1 引言
目前常規(guī)的污水處理方法有生物處理法、物理化學絮凝法、應用膜過濾技術等。等離子體污水處理技術不產生二次污染，是一種高效節(jié)能的污水處理技術。其中涉及的高頻脈沖放電技術及高頻脈沖電源是電力電子方面的熱點及難點。
高頻脈沖電源分為兩種：①通過PWM直接獲得各種高頻高壓脈沖波形的形變電源；②高壓直流及高頻交流疊加而成的交直流電源。交直流電源可獨立調節(jié)，互相配合優(yōu)化工作，有效降低了控制難度，是一種較好的選擇。對這類高壓電源多采用諧振控制，以充分利用其寄生參數(shù)，但變頻控制較為復雜。這里在高壓直流變換器中引入倍壓諧振整流技術，在實現(xiàn)初級開關管及次級二極管諧振軟開關基礎上，實現(xiàn)變換器恒頻工作。

2 倍壓諧振整流移相全橋變換器
圖1為所研究倍壓諧振整流全橋變換器結構。圖2為其各關鍵結點電壓和支路電流波形。

模態(tài)1[t0～t1] 變壓器初級開關管V1，V4導通，初級電壓加在變壓器初級繞組上，次級感應電勢上正下負，次級整流二極管VD1導通。次級漏感，VD1，諧振電容C1，C2，輸出電容Co及負載構成諧振支路，向負載傳遞能量。
模態(tài)2[t1～t2] V4導通，V1關斷，結電容C4充電，C5放電，有助于V1實現(xiàn)零電壓關斷，并為V2零電壓開通創(chuàng)造條件。此時次級諧振支路繼續(xù)向負載傳遞能量。
模態(tài)3[t2～t3] C5放電完畢，V2體二極管自然導通，維持初級續(xù)流，此時開通V2可實現(xiàn)零電壓開通，初級電流在隔直電容電壓作用下逐漸減小。此時次級諧振支路繼續(xù)向負載傳遞能量。
模態(tài)4[t3～t4] 變壓器次級半個諧振周期后，VD1自然關斷，實現(xiàn)零電流關斷，無反向恢復現(xiàn)象，輸出電壓由諧振電容及輸出電容維持。初級電流為勵磁電流，為實現(xiàn)V4零電流關斷創(chuàng)造條件。
模態(tài)5[t4～t5]V4零電流關斷后，結電容C7充電，C6放電，為V3零電壓開通創(chuàng)造條件。
V3開通后，初級電壓通過V3，V2加在變壓器初級繞組，剩余工作模態(tài)與前5個工作模態(tài)類似。

3 參數(shù)設計與討論
如模態(tài)分析所述，倍壓諧振整流全橋變換器初、次級存在2個諧振網(wǎng)絡，分別為初級開關管、次級二極管創(chuàng)造軟開關條件，為便于分析，這里將變壓器漏感能量分別折合為初、次級漏感能量。
3. 1 次級二極管軟開關條件
如模態(tài)4所述，在半個開關周期內，變壓器次級完成半個諧振周期后，VD1實現(xiàn)自然關斷，則：
Tr／2Ts／2 (1)
式中：Tr為諧振周期，。
對于給定次級漏感Lk,s，可確定諧振電容為：
CrTs／(2π2Lk,s) (2)
繼而次級二極管實現(xiàn)ZCS關斷，整流二極管為輸出電壓所箝位，無反向恢復特性，有效降低了二極管應力。
3．2 初級開關管軟開關條件
對于傳統(tǒng)ZVS移相全橋變換器，由于輸出濾波電感的存在，折合至初級的諧振電感較大，故超前橋臂ZVS實現(xiàn)較為容易。對于滯后橋臂，諧振僅依賴初級諧振電感，滯后橋臂ZVS實現(xiàn)較為困難，通常需要施加輔助網(wǎng)絡。
此處研究的拓撲為容性濾波，無輸出濾波電感，初級諧振電感僅為變壓器漏感。因此需適當增加死區(qū)時間，以確保初級電流能夠轉移開關管并聯(lián)電容上的能量，以實現(xiàn)ZVS。

考慮到次級二極管在半個開關周期內完成半個諧振周期后，折合至初級電流僅為勵磁電流，初級環(huán)流較小，可認為滯后橋臂開關管關斷時為ZCS。
3．3 占空比丟失討論
由于初級額外諧振電感的存在，變壓器初級電流由正到負，或由負到正過渡時間較長，變壓器次級電流不足以維持負載電流，次級二極管同時導通續(xù)流，變壓器次級短路，造成傳統(tǒng)ZVS移相全橋變換器存在較大的占空比丟失問題。
適當增加死區(qū)會造成部分占空比丟失，若取消諧振電感，采用倍壓整流，在初級電流換向之前，次級二極管已自然關斷，變壓器次級開路，大大改善了占空比丟失現(xiàn)象。