應(yīng)用于海水淡化之電壓雙象限升降壓轉(zhuǎn)換器

　　緒論

　　現(xiàn)今大部分地區(qū)，由于工商業(yè)的發(fā)展及民生需求的增加，水資源的缺乏已成為了不容忽視的潛在威脅。自1950年代起，各式各樣的海水淡化方式陸續(xù)被發(fā)明且改良，而近年來一項(xiàng)新的海水淡化方式---電容去離子化法被提出，其為利用特殊表面構(gòu)造的電容吸附海水中不同的正負(fù)離子，以達(dá)成海水淡化之目的[1,2]，這樣的方式不僅在海水淡化中有很大的使用空間，更可以擴(kuò)及到廢污水的處理應(yīng)用。由于電容去離子化法是藉由電容淡化模塊上所儲存的電荷吸引海水中相反極性的粒子，故傳統(tǒng)上應(yīng)用于此的節(jié)能電路是透過將每一級淡化完成之電容上的電荷以升降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至下一級電容來達(dá)成節(jié)能的目的。完整應(yīng)用電容去離子化法之海水淡化系統(tǒng)示意圖如圖1所示[3]，其運(yùn)作過程有兩個主要部分，第一部分為淡化階段，此一時期，淡化模塊開始充電，在海水注入以后，電容之可導(dǎo)電石墨表面會吸附海水中之帶電性粒子。第二部分為清洗階段，目的為洗去附著在金屬電容板上之帶電粒子，以利后續(xù)新一輪循環(huán)淡化的進(jìn)行。傳統(tǒng)上，此一階段會先將電容板上所存之電荷透過直流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至下一級，再于無電性吸附的情況下以鹵水清洗金屬電容板，以結(jié)束清洗階段。

　　在前面的操作中我們可以發(fā)現(xiàn)，每一級淡化模塊放電時，由于有少許部分能量無法透過升降壓轉(zhuǎn)換器放出而留在電容上，此時殘存之能量會吸附電容板上的帶電粒子而造成電容板不易清洗的現(xiàn)象，因而使清洗階段時間變長，如此一來將會使導(dǎo)引鹵水的驅(qū)動馬達(dá)產(chǎn)生額外的能量消耗。

　　本文透過將升降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓極性作交替變換，使得金屬電容板上的充放電極性亦可交互變換，讓與吸附粒子相反極性的電荷可完全放出，甚至是如圖2所示，相同極性的電荷因反相充電累積在金屬電容板上，對于不易清洗的粒子產(chǎn)生排斥的靜電力，使得沖洗離子變得更為容易，縮短清洗階段所需要花費(fèi)的時間。

　　為了達(dá)成輸出電壓的極性變換，我們以圖3的電路架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。我們的目的是將電容C1上的電壓透過升降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至電容C2，因此，考慮電容C1上的電壓可能有兩種極性分布，我們以橋式二極管來做整流。當(dāng)功率晶體管M5導(dǎo)通時，C1上的電壓不論極性為何，電流均會依序流過功率晶體管M5，感測電阻R及電感L，而當(dāng)M5關(guān)閉時，電感電流將會經(jīng)由二極管D及適當(dāng)?shù)腗1~M4路徑選擇對電容C2充電，其中，M1~M4的全橋架構(gòu)將可以決定電容C2的極性，達(dá)成我們一開始所設(shè)定輸出極性變換的目標(biāo)。

　　在控制方面，我們分成兩個控制回路，第一個部分是針對開關(guān)M5的操作，另一個部份是用以決定全橋架構(gòu)M1~M4的路徑選擇。首先，當(dāng)開關(guān)M5導(dǎo)通時，流經(jīng)電感與感測電阻的電流值上升，此時感測電阻兩端的跨壓將流于其上的電流轉(zhuǎn)換成電壓訊號，并透過適當(dāng)?shù)姆糯蠛螅诖艤?strong>比較器進(jìn)行比較，以產(chǎn)生M5的控制訊號。這樣的控制目的在于當(dāng)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行時，電容C1及C2上的電壓均處于變化狀態(tài)，因此若采用傳統(tǒng)的定頻控制，將使得轉(zhuǎn)換效率低落，而磁滯比較器是設(shè)定轉(zhuǎn)換電流的上下限，因而可以確保在每次的轉(zhuǎn)換中，電感均是轉(zhuǎn)換相同的能量，故有較佳的轉(zhuǎn)換效率。同時我們也可以注意到，由于電容C1及C2上的電壓均處于變化狀態(tài)，因此切換的頻率也會不同，大約為較低頻率逐漸升高，再逐漸下降的趨勢。另外的一路控制路徑則是以磁滯比較器判斷電容C1上的極性，再透過反相器制造一組反相的訊號，并依需要來決定全橋架構(gòu)M1~M4的導(dǎo)通情形以作為電容C2的充電路徑選擇，進(jìn)而決定電容C2的極性。

　　由于當(dāng)M5導(dǎo)通時，電流導(dǎo)通于圖3左半邊的回路，此路徑在等效上可以以一無電源的RLC串行電路來代替，而只是在電容上有跨壓作為初始條件，因此我們以這樣的等效電路對整個電路做初步分析。首先我們決定電容的部分，由于目前電容去離子化法并沒有實(shí)際的大規(guī)模商業(yè)化使用，因此并無可供參考的規(guī)格，然而理論上實(shí)驗(yàn)中的電容是以平行金屬板制作，其所使用的電容值均在數(shù)法拉至數(shù)十法拉之間，因此我們可以合理推斷電容值的選定應(yīng)越大越好以盡量符合真實(shí)的情況，同時考慮因本實(shí)驗(yàn)將以電解電容并聯(lián)的方式來等效大電容，因此我們在合理且方便量測的情況下選取電容值為68mF作為實(shí)驗(yàn)及討論的依據(jù)。在電感值的選定上我們可以和一般電源轉(zhuǎn)換器做比較，在一般的設(shè)計中，電感值是決定流于其上的電流漣波大小的重要參數(shù)，然而在此由于并非傳統(tǒng)定電壓源的設(shè)計，同時控制方式也有所不同，因此所考慮的僅是在操作時電感避免達(dá)到磁飽和，同時考慮此電感值對于整個無電源的RLC串行電路會造成如何的影響，并且思考其能量轉(zhuǎn)換效率的問題，在此我們先選取電感值為2.4mH來進(jìn)行后續(xù)的分析，并于之后再回頭來討論電感值的不同所造成的影響。最后，在這個RLC串行電路中，我們還需要決定感測電阻所使用的阻值，由于整個電路中并沒有固定的電源，同時在開關(guān)控制的部分是以流經(jīng)感測電阻上的電流做為控制的訊號依據(jù)，因此當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，我們可以說回路上的電流是以回路中的電阻值來決定其電流的表現(xiàn)。

　　對于一個無電源的RLC串行電路，我們可以以下列式子表示整個回路的方程式：

　　圖4顯示了實(shí)際開關(guān)在切換時的情形，我們可以從中看出兩種切換的比較，而在阻你比分為為臨界阻尼的10倍及0.1倍的情況下，比較過阻尼及欠阻尼的電流波形，如圖5所示，我們可以發(fā)現(xiàn)在不失一般性的情況下，對于感測電阻上之耗能作積分計算，在帶入初始值的條件下，我們可以得到欠阻尼有較低耗能的結(jié)果。

　　相同的，反之則會使開關(guān)切換的頻率上升，在此同時，我們也需要注意，電感值在足夠大使將使得無電源的RLC串行電路容易操作在欠阻尼的區(qū)間，進(jìn)而使得感測電阻的選擇彈性上升，當(dāng)感測電阻值過小時，容易造成其上的電流訊受噪聲的影響，故雖理論上感測電阻值是越小越好，但實(shí)際上仍需配合實(shí)際的量測及使用環(huán)境而選定。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，這里使用離散組件實(shí)做電壓雙象限升降壓直流轉(zhuǎn)換器，如下圖6。為減少導(dǎo)通損耗造成的功率消耗，所使用的功率晶體管為低導(dǎo)通電阻的N-MOSFET IRFB3206，而放大器是使用INA117p來做單倍精確的電壓放大，之后的電壓訊號放大是以TL082CN實(shí)現(xiàn)，磁滯比較器則是以比較器LM393N及S-R閂鎖器CD4043接成磁滯的功能來實(shí)現(xiàn)，閘極驅(qū)動器的部分使用IR2104，整個系統(tǒng)的最高電壓設(shè)定在15V，最低則是在-15V。

　　圖7是以電容C1預(yù)先充電至20V之正向轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中正反相轉(zhuǎn)換并無嚴(yán)格定義，僅作為區(qū)別不同的操作模式使用，在此實(shí)驗(yàn)結(jié)果下，我們可以發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率在大約75%，為可接受的效能表現(xiàn)。圖8為電容C1預(yù)先充電至20V之反向轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從量測曲線中可以發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率也有約75%，證明在此一架構(gòu)及控制方式下，我們可以達(dá)成所設(shè)定的電壓雙象限升降壓直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計，兩者的切換頻率均變動于約300Hz至2.2kHz之間。并且由于初步對于電路架構(gòu)的探討，在能量轉(zhuǎn)換方面也可以達(dá)成75%的轉(zhuǎn)換效能，此點(diǎn)在對于整個電路作更詳盡及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治雠c模擬后可望再進(jìn)一步的提升。

　　目前在電容去離子化的節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計上，許多實(shí)驗(yàn)成果是使用相同的變換極性概念，然而這些極性的輸出變換是透過繁復(fù)的設(shè)計構(gòu)造及控制實(shí)現(xiàn)，在此我們提出并驗(yàn)證了此

　　一簡單變換輸出電壓極性的架構(gòu)與控制方式。

　　整個設(shè)計之后將用于結(jié)合完整的電容去離子化系統(tǒng)，由于類似的概念在海水淡化的電透析法中實(shí)際使用后得到了顯著的節(jié)能效果，因此我們預(yù)計能在整個系統(tǒng)的效能上得到顯著的提升。

　　總結(jié)

　　本文針對對于環(huán)境沖擊較小且更為節(jié)能的電容去離子化技術(shù)做節(jié)能架構(gòu)的改良，傳統(tǒng)升降壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)輸入電源固定時，因其架構(gòu)的特性，輸出電壓的極性也無法變動，因此所討論的節(jié)能架構(gòu)中，以和電透析技術(shù)相似的作法，將淡化模塊作周期性的電壓極性變換，可將應(yīng)用于淡化模塊的節(jié)能架構(gòu)效率做更進(jìn)一步的提升，進(jìn)而提升整個系統(tǒng)的效率，因此本文著重在如何將用于節(jié)能架構(gòu)中之升降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓極性做周期性的變換，并以低成本的方式實(shí)現(xiàn)。