基于等離子體污水處理高壓直流電源研究

　　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(xué)絮凝法、應(yīng)用膜過(guò)濾技術(shù)等。等離子體污水處理技術(shù)不產(chǎn)生二次污染，是一種高效節(jié)能的污水處理技術(shù)。其中涉及的高頻脈沖放電技術(shù)及高頻脈沖電源是電力電子方面的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

　　高頻脈沖電源分為兩種：①通過(guò)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(dú)立調(diào)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(duì)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(fù)雜。這里在高壓直流變換器中引入倍壓諧振整流技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)管及次級(jí)二極管諧振軟開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上，實(shí)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(jié)構(gòu)。圖2為其各關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)電壓和支路電流波形。

　　模態(tài)1[t0～t1] 變壓器初級(jí)開(kāi)關(guān)管V1，V4導(dǎo)通，初級(jí)電壓加在變壓器初級(jí)繞組上，次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)上正下負(fù)，次級(jí)整流二極管VD1導(dǎo)通。次級(jí)漏感，VD1，諧振電容C1，C2，輸出電容Co及負(fù)載構(gòu)成諧振支路，向負(fù)載傳遞能量。

　　模態(tài)2[t1～t2] V4導(dǎo)通，V1關(guān)斷，結(jié)電容C4充電，C5放電，有助于V1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，并為V2零電壓開(kāi)通創(chuàng)造條件。此時(shí)次級(jí)諧振支路繼續(xù)向負(fù)載傳遞能量。

　　模態(tài)3[t2～t3] C5放電完畢，V2體二極管自然導(dǎo)通，維持初級(jí)續(xù)流，此時(shí)開(kāi)通V2可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，初級(jí)電流在隔直電容電壓作用下逐漸減小。此時(shí)次級(jí)諧振支路繼續(xù)向負(fù)載傳遞能量。

　　模態(tài)4[t3～t4] 變壓器次級(jí)半個(gè)諧振周期后，VD1自然關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，無(wú)反向恢復(fù)現(xiàn)象，輸出電壓由諧振電容及輸出電容維持。初級(jí)電流為勵(lì)磁電流，為實(shí)現(xiàn)V4零電流關(guān)斷創(chuàng)造條件。

　　模態(tài)5[t4～t5]V4零電流關(guān)斷后，結(jié)電容C7充電，C6放電，為V3零電壓開(kāi)通創(chuàng)造條件。

　　V3開(kāi)通后，初級(jí)電壓通過(guò)V3，V2加在變壓器初級(jí)繞組，剩余工作模態(tài)與前5個(gè)工作模態(tài)類似。

　　3 參數(shù)設(shè)計(jì)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(jí)存在2個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，分別為初級(jí)開(kāi)關(guān)管、次級(jí)二極管創(chuàng)造軟開(kāi)關(guān)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(jí)漏感能量。

　　3. 1 次級(jí)二極管軟開(kāi)關(guān)條件

　　如模態(tài)4所述，在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，變壓器次級(jí)完成半個(gè)諧振周期后，VD1實(shí)現(xiàn)自然關(guān)斷，則：

　　Tr/2 式中：Tr為諧振周期，

　　對(duì)于給定次級(jí)漏感Lk,s，可確定諧振電容為：

　　Cr

　　繼而次級(jí)二極管實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，整流二極管為輸出電壓所箝位，無(wú)反向恢復(fù)特性，有效降低了二極管應(yīng)力。

　　3.2 初級(jí)開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)條件

　　對(duì)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(jí)的諧振電感較大，故超前橋臂ZVS實(shí)現(xiàn)較為容易。對(duì)于滯后橋臂，諧振僅依賴初級(jí)諧振電感，滯后橋臂ZVS實(shí)現(xiàn)較為困難，通常需要施加輔助網(wǎng)絡(luò)。

　　此處研究的拓?fù)?/strong>為容性濾波，無(wú)輸出濾波電感，初級(jí)諧振電感僅為變壓器漏感。因此需適當(dāng)增加死區(qū)時(shí)間，以確保初級(jí)電流能夠轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容上的能量，以實(shí)現(xiàn)ZVS。

　　考慮到次級(jí)二極管在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成半個(gè)諧振周期后，折合至初級(jí)電流僅為勵(lì)磁電流，初級(jí)環(huán)流較小，可認(rèn)為滯后橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)為ZCS。

　　3.3 占空比丟失討論

　　由于初級(jí)額外諧振電感的存在，變壓器初級(jí)電流由正到負(fù)，或由負(fù)到正過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)，變壓器次級(jí)電流不足以維持負(fù)載電流，次級(jí)二極管同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流，變壓器次級(jí)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(wèn)題。

　　適當(dāng)增加死區(qū)會(huì)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(jí)電流換向之前，次級(jí)二極管已自然關(guān)斷，變壓器次級(jí)開(kāi)路，大大改善了占空比丟失現(xiàn)象。

　　4 仿真與實(shí)驗(yàn)

　　在Saber軟件中建立仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，輸入直流電壓為三相整流電壓540 V，變壓器初、次級(jí)匝比為1：3，開(kāi)關(guān)頻率為25 kHz，隔直電容為1.88μF，初級(jí)漏感為15μH，次級(jí)漏感為120μH，次級(jí)諧振電容為5 nF，輸出直流電壓為2.7 kV，輸出功率為3.6 kW。圖3示出仿真波形。

　　由圖3a可見(jiàn)，超前橋臂開(kāi)關(guān)管電壓在驅(qū)動(dòng)開(kāi)通前已降到零，實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通;驅(qū)動(dòng)關(guān)斷后，開(kāi)關(guān)管電壓緩慢上升，實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷。由圖3b可見(jiàn)，滯后橋臂開(kāi)關(guān)管也實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。由于此時(shí)次級(jí)諧振折合至初級(jí)電流為零，初級(jí)電流僅為較小的勵(lì)磁電流，故可認(rèn)為其實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)通。由圖3c可見(jiàn)，次級(jí)二極管關(guān)斷后無(wú)反向恢復(fù)電流和恢復(fù)電壓尖峰，有效降低了其電壓應(yīng)力，有助于后續(xù)更高電壓等級(jí)系統(tǒng)高壓硅堆選取。考慮移相有效占空比，其輸出電壓為2.7 kV，仍高于輸入電壓整流經(jīng)變壓器升壓后的1.62 kV。相比傳統(tǒng)全橋變換器，可有效降低變壓器高壓側(cè)匝數(shù)，減小設(shè)計(jì)難度。

　　實(shí)際參數(shù)與仿真略有差別。圖4a為超前橋臂開(kāi)關(guān)管柵極、漏源兩端電壓，開(kāi)通和關(guān)斷均實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。圖4b為超前、滯后橋臂移相波形。圖4c為次級(jí)二極管整流電壓、電流，消除了反向恢復(fù)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析及仿真的正確性。

　　5 結(jié)論

　　基于諧振倍壓整流技術(shù)，研究了一種適合于等離子污水處理的移相全橋高壓直流電源方案。討論了其輸出二極管及初級(jí)開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件，實(shí)現(xiàn)了輸出二極管電壓尖峰抑制，降低了二極管電壓應(yīng)力，為建立更高輸出電壓等級(jí)樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)奠定了理論及技術(shù)基礎(chǔ)。