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(shù)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(duì)象，分析其工作原理、初級(jí)開關(guān)管零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)條件、次級(jí)二極管零電流開關(guān)(ZCS)條件及占空比丟失問題改善情況。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明倍壓諧振整流技術(shù)解決了次級(jí)二極管反向恢復(fù)問題，有效降低了次級(jí)二極管電壓應(yīng)力及次級(jí)變壓器匝數(shù)。
關(guān)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(xué)絮凝法、應(yīng)用膜過濾技術(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)開關(guān)管及次級(jí)二極管諧振軟開關(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)開通V2可實(shí)現(xiàn)零電壓開通，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V3零電壓開通創(chuàng)造條件。
V3開通后，初級(jí)電壓通過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)開關(guān)管、次級(jí)二極管創(chuàng)造軟開關(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)二極管軟開關(guān)條件
如模態(tài)4所述，在半個(gè)開關(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／2Ts／2 (1)
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：
CrTs／(2π2Lk,s) (2)
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，無反向恢復(fù)特性，有效降低了二極管應(yīng)力。
3．2 初級(jí)開關(guān)管軟開關(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)錇槿菪詾V波，無輸出濾波電感，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)到正過渡時(shí)間較長，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)開路，大大改善了占空比丟失現(xiàn)象。