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，互相配合優化工作，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，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，在實現初級開關管及次級二極管諧振軟開關基礎上，實現變換器恒頻工作。

　　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2[t1～t2] V4導通，V1關斷，結電容C4充電，C5放電，有助于V1實現零電壓關斷，并為V2零電壓開通創造條件。此時次級諧振支路繼續向負載傳遞能量。

　　模態3[t2～t3] C5放電完畢，V2體二極管自然導通，維持初級續流，此時開通V2可實現零電壓開通，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向負載傳遞能量。

　　模態4[t3～t4] 變壓器次級半個諧振周期后，VD1自然關斷，實現零電流關斷，無反向恢復現象，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V4零電流關斷創造條件。

　　模態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，剩余工作模態與前5個工作模態類似。

　　3 參數設計與討論

　　如模態分析所述，倍壓諧振整流全橋變換器初、次級存在2個諧振網絡，分別為初級開關管、次級二極管創造軟開關條件，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實現自然關斷，則：

　　Tr/2 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：

　　Cr

　　繼而次級二極管實現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實現較為困難，通常需要施加輔助網絡。

　　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時間，以確保初級電流能夠轉移開關管并聯電容上的能量，以實現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流，變壓器次級短路，造成傳統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象。

　　4 仿真與實驗

　　在Saber軟件中建立仿真實驗平臺，輸入直流電壓為三相整流電壓540 V，變壓器初、次級匝比為1：3，開關頻率為25 kHz，隔直電容為1.88μF，初級漏感為15μH，次級漏感為120μH，次級諧振電容為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，超前橋臂開關管電壓在驅動開通前已降到零，實現ZVS開通;驅動關斷后，開關管電壓緩慢上升，實現ZVS關斷。由圖3b可見，滯后橋臂開關管也實現ZVS關斷，但無法實現ZVS開通。由于此時次級諧振折合至初級電流為零，初級電流僅為較小的勵磁電流，故可認為其實現ZCS開通。由圖3c可見，次級二極管關斷后無反向恢復電流和恢復電壓尖峰，有效降低了其電壓應力，有助于后續更高電壓等級系統高壓硅堆選取。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變壓器升壓后的1.62 kV。相比傳統全橋變換器，可有效降低變壓器高壓側匝數，減小設計難度。

　　實際參數與仿真略有差別。圖4a為超前橋臂開關管柵極、漏源兩端電壓，開通和關斷均實現了軟開關。圖4b為超前、滯后橋臂移相波形。圖4c為次級二極管整流電壓、電流，消除了反向恢復問題。實驗結果驗證了理論分析及仿真的正確性。

　　5 結論

　　基于諧振倍壓整流技術，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開關管軟開關實現條件，實現了輸出二極管電壓尖峰抑制，降低了二極管電壓應力，為建立更高輸出電壓等級樣機測試平臺奠定了理論及技術基礎。