基于等离子体污水处理高压直流电源研究

　　1 引言

　　目前常规的污水处理方法有生物处理法、物理化学絮凝法、应用膜过滤技术等。等离子体污水处理技术不产生二次污染，是一种高效节能的污水处理技术。其中涉及的高频脉冲放电技术及高频脉冲电源是电力电子方面的热点及难点。

　　高频脉冲电源分为两种：①通过PWM直接获得各种高频高压脉冲波形的形变电源;②高压直流及高频交流叠加而成的交直流电源。交直流电源可独立调节，互相配合优化工作，有效降低了控制难度，是一种较好的选择。对这类高压电源多采用谐振控制，以充分利用其寄生参数，但变频控制较为复杂。这里在高压直流变换器中引入倍压谐振整流技术，在实现初级开关管及次级二极管谐振软开关基础上，实现变换器恒频工作。

　　2 倍压谐振整流移相全桥变换器

　　图1为所研究倍压谐振整流全桥变换器结构。图2为其各关键结点电压和支路电流波形。

　　模态1[t0～t1] 变压器初级开关管V1，V4导通，初级电压加在变压器初级绕组上，次级感应电势上正下负，次级整流二极管VD1导通。次级漏感，VD1，谐振电容C1，C2，输出电容Co及负载构成谐振支路，向负载传递能量。

　　模态2[t1～t2] V4导通，V1关断，结电容C4充电，C5放电，有助于V1实现零电压关断，并为V2零电压开通创造条件。此时次级谐振支路继续向负载传递能量。

　　模态3[t2～t3] C5放电完毕，V2体二极管自然导通，维持初级续流，此时开通V2可实现零电压开通，初级电流在隔直电容电压作用下逐渐减小。此时次级谐振支路继续向负载传递能量。

　　模态4[t3～t4] 变压器次级半个谐振周期后，VD1自然关断，实现零电流关断，无反向恢复现象，输出电压由谐振电容及输出电容维持。初级电流为励磁电流，为实现V4零电流关断创造条件。

　　模态5[t4～t5]V4零电流关断后，结电容C7充电，C6放电，为V3零电压开通创造条件。

　　V3开通后，初级电压通过V3，V2加在变压器初级绕组，剩余工作模态与前5个工作模态类似。

　　3 参数设计与讨论

　　如模态分析所述，倍压谐振整流全桥变换器初、次级存在2个谐振网络，分别为初级开关管、次级二极管创造软开关条件，为便于分析，这里将变压器漏感能量分别折合为初、次级漏感能量。

　　3. 1 次级二极管软开关条件

　　如模态4所述，在半个开关周期内，变压器次级完成半个谐振周期后，VD1实现自然关断，则：

　　Tr/2 式中：Tr为谐振周期，

　　对于给定次级漏感Lk,s，可确定谐振电容为：

　　Cr

　　继而次级二极管实现ZCS关断，整流二极管为输出电压所箝位，无反向恢复特性，有效降低了二极管应力。

　　3.2 初级开关管软开关条件

　　对于传统ZVS移相全桥变换器，由于输出滤波电感的存在，折合至初级的谐振电感较大，故超前桥臂ZVS实现较为容易。对于滞后桥臂，谐振仅依赖初级谐振电感，滞后桥臂ZVS实现较为困难，通常需要施加辅助网络。

　　此处研究的拓扑为容性滤波，无输出滤波电感，初级谐振电感仅为变压器漏感。因此需适当增加死区时间，以确保初级电流能够转移开关管并联电容上的能量，以实现ZVS。

　　考虑到次级二极管在半个开关周期内完成半个谐振周期后，折合至初级电流仅为励磁电流，初级环流较小，可认为滞后桥臂开关管关断时为ZCS。

　　3.3 占空比丢失讨论

　　由于初级额外谐振电感的存在，变压器初级电流由正到负，或由负到正过渡时间较长，变压器次级电流不足以维持负载电流，次级二极管同时导通续流，变压器次级短路，造成传统ZVS移相全桥变换器存在较大的占空比丢失问题。

　　适当增加死区会造成部分占空比丢失，若取消谐振电感，采用倍压整流，在初级电流换向之前，次级二极管已自然关断，变压器次级开路，大大改善了占空比丢失现象。

　　4 仿真与实验

　　在Saber软件中建立仿真实验平台，输入直流电压为三相整流电压540 V，变压器初、次级匝比为1：3，开关频率为25 kHz，隔直电容为1.88μF，初级漏感为15μH，次级漏感为120μH，次级谐振电容为5 nF，输出直流电压为2.7 kV，输出功率为3.6 kW。图3示出仿真波形。

　　由图3a可见，超前桥臂开关管电压在驱动开通前已降到零，实现ZVS开通;驱动关断后，开关管电压缓慢上升，实现ZVS关断。由图3b可见，滞后桥臂开关管也实现ZVS关断，但无法实现ZVS开通。由于此时次级谐振折合至初级电流为零，初级电流仅为较小的励磁电流，故可认为其实现ZCS开通。由图3c可见，次级二极管关断后无反向恢复电流和恢复电压尖峰，有效降低了其电压应力，有助于后续更高电压等级系统高压硅堆选取。考虑移相有效占空比，其输出电压为2.7 kV，仍高于输入电压整流经变压器升压后的1.62 kV。相比传统全桥变换器，可有效降低变压器高压侧匝数，减小设计难度。

　　实际参数与仿真略有差别。图4a为超前桥臂开关管栅极、漏源两端电压，开通和关断均实现了软开关。图4b为超前、滞后桥臂移相波形。图4c为次级二极管整流电压、电流，消除了反向恢复问题。实验结果验证了理论分析及仿真的正确性。

　　5 结论

　　基于谐振倍压整流技术，研究了一种适合于等离子污水处理的移相全桥高压直流电源方案。讨论了其输出二极管及初级开关管软开关实现条件，实现了输出二极管电压尖峰抑制，降低了二极管电压应力，为建立更高输出电压等级样机测试平台奠定了理论及技术基础。