大功率介質(zhì)阻擋等離子體電源特性及工業(yè)應(yīng)用研究

引言
    介質(zhì)阻擋放電(DBD)最早起源于對(duì)臭氧發(fā)生及其應(yīng)用技術(shù)的研究。近二十多年來，由于工業(yè)等離子體化學(xué)合成與分解、環(huán)境污染治理等方面的需求，同時(shí)又由于材料科學(xué)和電力電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科也取得了較大的發(fā)展，因此促進(jìn)了對(duì)介質(zhì)阻擋等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)的研究，并很快成為低溫非平衡等離子體研究的熱點(diǎn)之一。
    介質(zhì)阻擋等離子體裝置作為一個(gè)由反應(yīng)器、電源、媒質(zhì)氣體等組成的系統(tǒng)，通常要在適當(dāng)?shù)臍怏w流量、氣體壓力、濕度和一定的電源電壓、頻率條件下工作，電源是給放電裝置提供能量的重要組成部分，亦是關(guān)鍵技術(shù)。
    本文研制和開發(fā)了大功率介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生電源系統(tǒng)，通過一系列實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，獲得了電源運(yùn)行特性和穩(wěn)定工作條件，進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行輸出功率20～30kW、最大輸出功率約80kW的工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)適用介質(zhì)阻擋放電的百千瓦級(jí)電源的工業(yè)應(yīng)用，掌握了此類大功率電源的設(shè)計(jì)和制造核心技術(shù)。

1 電源工作原理與技術(shù)要點(diǎn)
    介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生器電源自上個(gè)世紀(jì)以來隨著電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和材料技術(shù)等相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了工頻(50／60Hz)、中頻(幾百至幾千Hz)和高頻(>10kHz)三個(gè)階段，高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式電源是目前主要發(fā)展方向。本文研制大功率電源的主電回路亦采用高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式工作方式，其諧振式控制采用電流過零關(guān)斷形式。
    1)介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源工作原理
    Hideaki Fujita和Kazuyuki Ohe分別設(shè)計(jì)了用于介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)的脈沖密度控制電源和用于臭氧生產(chǎn)的時(shí)控逆變電源。電源的電壓和頻率是兩個(gè)重要參數(shù)，研究電壓和頻率對(duì)放電性能的影響的報(bào)道也很多，但在激勵(lì)電源變壓器參數(shù)與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配方面的研究還未見報(bào)道。由于介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)中存在具有感性的電源變壓器和具有容性的介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)R、L、C串聯(lián)電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)必然存在一個(gè)固有諧振頻率，并會(huì)影響到介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)的頻率特性，進(jìn)而影響介質(zhì)阻擋等離子體的放電性能。因此，對(duì)介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)諧振問題的研究對(duì)于提高系統(tǒng)放電性能參量具有十分重要的意義。
    本文采用串聯(lián)諧振式電源，其主回路如圖1所示，線框I代表的是串聯(lián)逆變供電電源，其中整流二極管VDZ1～VDz6組成三相不可控整流，和濾波電感L和儲(chǔ)能電容C1、C2共同形成逆變電路輸入的直流電壓VD1；IGBT的VT1～VT2和快恢復(fù)二極管VD1～VD2構(gòu)成半橋逆變電路；線框II是電流過零關(guān)斷諧振控制電路，由霍爾電流傳感器TFI檢測(cè)信號(hào)，輸入諧振控制器CTRL，CTRL產(chǎn)生IGBT控制信號(hào)，輸入IGBT控制極；線框III為阻擋介質(zhì)反應(yīng)器等效電路，其中Cd和Cg分別為未放電時(shí)介質(zhì)和氣隙等效電容，VDZ為擊穿電壓為Uz的等效雙向穩(wěn)壓二極管。TF為高頻升壓變壓器。

    2)串聯(lián)諧振式控制與電流過零關(guān)斷
    高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式電源的主要控制方式有：率因數(shù)調(diào)節(jié)PFR(Power FactorRegulation)，PFR控制靠改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋電流Ui的相位來調(diào)節(jié)輸出功率；脈沖密度調(diào)制PDM(ulse Density Modulation)，PDM控制通過對(duì)逆變器的開關(guān)脈沖進(jìn)行間斷控制，調(diào)節(jié)輸出脈沖密度的大小，以達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的；移相控制一脈沖寬度調(diào)制PSC—PWM(hase ShiftingContr0l-PWM)，PSC-PWM控制將基本橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋電流Ui同相位，再使移動(dòng)橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)超前或滯后基本橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)一個(gè)相角。
    但是，上述串聯(lián)負(fù)載諧振式電源控制方式都存在電子開關(guān)損耗大，影響電子開關(guān)安全使用的問題，電子開關(guān)的損耗隨著頻率增大成比例增加，限制了功率提高。為提高開關(guān)功率，降低開關(guān)損耗，減小電源體積，本文采用準(zhǔn)諧振電流過零的軟關(guān)斷技術(shù)，有效地降低伴隨著高頻化帶來的損耗，突破大功率IGBT模塊的長(zhǎng)期工業(yè)化安全使用難題。
    本文采用的準(zhǔn)諧振電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷方法，工作原理如下：

    圖2是研制電源TFI測(cè)量主電流IL曲線，一個(gè)諧振工作周期分為t0～t2：兩個(gè)工作區(qū)間。區(qū)間l(t0≤t<t1)，t0前VT2導(dǎo)通，t0時(shí)刻IL過零，控制回路檢測(cè)到過零點(diǎn)時(shí)，VT2零電流關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)所謂“過零關(guān)軟關(guān)斷”，此時(shí)VT1尚未導(dǎo)通，電流通過VD1向電源反饋能量；t0后控制信號(hào)在t0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通。區(qū)間2(t1≤t<t2)，到t1時(shí)刻，電流IL再次過零，控制信號(hào)在t1時(shí)刻驅(qū)動(dòng)VT1零電流關(guān)斷，然后驅(qū)動(dòng)VT2導(dǎo)通；工作至t2時(shí)刻IL再次過零。t2～t3～t4時(shí)段，電路進(jìn)入下一周期的循環(huán)。由于是控制回路檢測(cè)到過零點(diǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)開關(guān)關(guān)斷導(dǎo)通和開關(guān)，主回路的工作頻率fs取決于主回路的諧振參數(shù)，選取適合的主回路參數(shù)，將諧振頻率限制在16～30kHz，對(duì)于大電流IGBT安全工作是非常必要。

2 等離子體發(fā)生電源工業(yè)運(yùn)行特性
    本文研制電源是為大型介質(zhì)阻擋放電負(fù)載配套，運(yùn)用于等離子體煙氣脫硫脫硝工業(yè)裝置。在一系列工業(yè)試驗(yàn)和運(yùn)行中，本電源系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了工程研制目標(biāo)，表現(xiàn)出優(yōu)秀特性。
    如圖3所示，整個(gè)大功率電源實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的組成如下：三相380V工頻交流電源，先經(jīng)過隔離變壓器，再經(jīng)三相調(diào)壓變壓器降壓至工作電壓，輸入高壓高頻發(fā)生電源，產(chǎn)生的高壓高頻電流加載在由板一板電極結(jié)構(gòu)組成的介質(zhì)阻擋放電負(fù)載上。

    隔離變壓器輸入和輸出均為380V，隔離變壓器的主要作用是：保證后續(xù)電路與供電主回路的隔離以免受到主回路中比較大的電壓、電流特性變動(dòng)的影響，達(dá)到后續(xù)電路的穩(wěn)定性，同時(shí)防止高壓脈沖電源對(duì)主回路的影響，防止造成電源污染，提高整個(gè)一二次電路的安全性和可靠性。三相調(diào)壓變壓器通過輸出電壓調(diào)節(jié)，控制電源系統(tǒng)的功率輸出，本電源系統(tǒng)使用的機(jī)械式調(diào)壓變壓器，也可很方便的采用電子調(diào)壓方法。阻擋介質(zhì)放電負(fù)載為多個(gè)板一板電極結(jié)構(gòu)負(fù)載的并聯(lián)，為一般大功率阻擋介質(zhì)放電負(fù)載形式。[!--empirenews.page--]
    1)電源過零開關(guān)軟關(guān)斷運(yùn)行特性
    是否真正實(shí)現(xiàn)電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷，是串聯(lián)負(fù)載諧振式電源能否長(zhǎng)時(shí)間可靠工作的關(guān)鍵，特別在電源大功率工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷尤為困難和重要。
    本文對(duì)電源在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了主電流IL的測(cè)量，獲得了大功率下電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷特性。電源高壓高頻電源產(chǎn)生并輸出幾萬伏的高頻電壓，輸出端為一個(gè)高電壓電極接反應(yīng)器負(fù)載正極，另一端負(fù)極接反應(yīng)器負(fù)載負(fù)極，負(fù)極必須可靠接地。負(fù)極上串有互感器(見圖3)，互感器的輸出信號(hào)由數(shù)字示波器觀察并記錄如圖4，這樣可由示波器觀察到放電回路中波形變化。

    由于實(shí)際諧振電源控制電路在電流過零關(guān)斷驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)存在誤差，產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖震蕩不可避免，驅(qū)動(dòng)誤差越小則脈沖震蕩越小，脈沖震蕩小，電源電子開關(guān)IGBT工作安全性就高。圖4和圖2中的波形毛刺就是IBGT驅(qū)動(dòng)關(guān)斷誤差形成的脈沖震蕩電流，它表明在大功率工作狀態(tài)下，本文研制的電源系統(tǒng)在電流過零關(guān)斷控制串聯(lián)負(fù)載諧振方面，達(dá)到了很高的技術(shù)水平，完全保證電源大功率狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的要求，結(jié)果令人滿意。
    2)電源變負(fù)載自適應(yīng)運(yùn)行特性
    本文研制電源系統(tǒng)的又一重要特點(diǎn)時(shí)變負(fù)載自適應(yīng)運(yùn)行特性，這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)工程應(yīng)用尤為重要。眾所周知，實(shí)際工業(yè)負(fù)載很難做到非常穩(wěn)定，特別是大功率負(fù)載尤其如此。
    所謂變負(fù)載自適應(yīng)運(yùn)行特性是指電源的諧振控制系統(tǒng)并不固定系統(tǒng)諧振頻率，系統(tǒng)諧振頻率是由系統(tǒng)中存在具有感性的高頻變壓器和具有容性的DBD反應(yīng)器負(fù)載所決定，它們實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)R、L、C串聯(lián)諧振電路。系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率亦發(fā)生變化。本文研制電源諧振控制電路是通過檢測(cè)主諧振電流實(shí)現(xiàn)電流過零軟關(guān)斷控制，因此，諧振控制與負(fù)載特性無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)電源的變負(fù)載自適應(yīng)運(yùn)行特性。
    在本文研制電源系統(tǒng)的工程運(yùn)用試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載不穩(wěn)定，濕度對(duì)負(fù)載電氣特性產(chǎn)生不良影響。在不同天氣情況下進(jìn)行了系統(tǒng)的負(fù)載測(cè)試，顯示系統(tǒng)負(fù)載的電阻特性發(fā)生很大變化，從1．56MΩ～200．0MΩ。電源系統(tǒng)的在負(fù)載變化情況下，運(yùn)行諧振頻率相應(yīng)變化，運(yùn)行結(jié)果見圖5。

    3)大功率長(zhǎng)時(shí)間工業(yè)運(yùn)行特性
    大功率諧振電源啟動(dòng)是發(fā)生電子開關(guān)IGBT燒損事故最危險(xiǎn)時(shí)刻，諧振啟動(dòng)過程的良好設(shè)計(jì)是研制電源的第一個(gè)關(guān)鍵問題，本文研制電源系統(tǒng)很好解決了這一難題。
    本文研制電源在配套的大型阻擋介質(zhì)放電負(fù)載上已經(jīng)過無數(shù)次啟動(dòng)，至今為止尚未發(fā)生IGBT燒損現(xiàn)象，完全滿足工業(yè)應(yīng)用要求。
    圖6是本文研制電源在大功率啟動(dòng)過程的IGBT觸發(fā)信號(hào)和諧振主電流特性曲線，主諧振回路經(jīng)過6～8個(gè)諧振周期，主諧振電流達(dá)到了穩(wěn)定工作電流，諧振電流包絡(luò)線增長(zhǎng)平滑。

    為了配合介質(zhì)阻擋放電DBD反應(yīng)器的工業(yè)試驗(yàn)，本文研制電源進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行工作可靠性考核，包括48小時(shí)12～30kw電源連續(xù)運(yùn)行無故障，至今為止累計(jì)運(yùn)行數(shù)千小時(shí)無故障，整個(gè)電源系統(tǒng)性能狀態(tài)穩(wěn)定。
    圖7是隨機(jī)采集的電源工作狀態(tài)諧振輸出電流Io的波形曲線，圖中(a)和(b)是分別在不同時(shí)間尺度200μs和1．0ms的波形描述。圖7(a)中出現(xiàn)的少量曲線毛刺說明：盡管采用電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷技術(shù)，由于電子器件實(shí)際性能和大功率工作狀態(tài)，仍然會(huì)出現(xiàn)少量瞬時(shí)電流震蕩脈沖，但不影響IGBT的安全工作。圖7(b)呈現(xiàn)的諧振電流包絡(luò)線波動(dòng)現(xiàn)象，分析認(rèn)為是整個(gè)諧振系統(tǒng)電路中的約300Hz低頻因素造成。

    針對(duì)本文研制電源，進(jìn)行了不同功率運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果見表l。如前面所述，電源系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)是通過控制三相調(diào)壓變壓器實(shí)現(xiàn)，在配套介質(zhì)阻擋放電DBD負(fù)載上，運(yùn)行功率從l8kW至最大約80kW。由于本文板一板電極結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電負(fù)載所能承受過載電流能力的限制，60kW以上的工作功率試驗(yàn)均只進(jìn)行了短時(shí)運(yùn)行，以防負(fù)載的阻擋介質(zhì)擊穿燒毀，基于同樣的原因，80kw以上的試驗(yàn)未進(jìn)行。
    在表l的全部電源不同功率運(yùn)行情況中，本文研制電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，電源系統(tǒng)無任何故障或異?，F(xiàn)象，說明本文研制電源的功率設(shè)計(jì)有很大的冗容，完全可能達(dá)到lOOkW甚至更大的工作功率。

3 結(jié)束語
    研制了大功率介質(zhì)阻擋放電串聯(lián)諧振式電源系統(tǒng)，成功配套和應(yīng)用在大功率板一板電極阻擋介質(zhì)等離子體煙氣處理裝置，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)運(yùn)行，研制電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、啟動(dòng)安全，有很高的工程可靠性，掌握了此類大功率電源的設(shè)計(jì)和制造核心技術(shù)。
    諧振電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷是實(shí)現(xiàn)此類阻擋介質(zhì)放電諧振電源大功率化的最佳方法之一，本文研究表明：該方法和技術(shù)非常有效的保證了電子器件IGBT的長(zhǎng)期安全工作。
    進(jìn)行了18～80kW不同功率運(yùn)行試驗(yàn)，本文研制電源系統(tǒng)具有很大的工作功率冗容，能夠達(dá)到100kW級(jí)工作水平。
    本文研制電源系統(tǒng)具有的變負(fù)載自適應(yīng)運(yùn)行特性，使電源系統(tǒng)不但能夠運(yùn)用于配套的煙氣處理介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器，而且可以廣泛應(yīng)用于包括臭氧發(fā)生器的一系列介質(zhì)阻擋DBD發(fā)生器負(fù)載，應(yīng)用前景廣闊。