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(lái)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(chǔ)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(guò)將每一級(jí)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(jí)電容來(lái)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(guò)程有兩個(gè)主要部分，第一部分為淡化階段，此一時(shí)期，淡化模塊開(kāi)始充電，在海水注入以后，電容之可導(dǎo)電石墨表面會(huì)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(huì)先將電容板上所存之電荷透過(guò)直流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至下一級(jí)，再于無(wú)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(jí)淡化模塊放電時(shí)，由于有少許部分能量無(wú)法透過(guò)升降壓轉(zhuǎn)換器放出而留在電容上，此時(shí)殘存之能量會(huì)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(shí)間變長(zhǎng)，如此一來(lái)將會(huì)使導(dǎo)引鹵水的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生額外的能量消耗。

　　本文透過(guò)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(duì)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。我們的目的是將電容C1上的電壓透過(guò)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(lái)做整流。當(dāng)功率晶體管M5導(dǎo)通時(shí)，C1上的電壓不論極性為何，電流均會(huì)依序流過(guò)功率晶體管M5，感測(cè)電阻R及電感L，而當(dāng)M5關(guān)閉時(shí)，電感電流將會(huì)經(jīng)由二極管D及適當(dāng)?shù)腗1~M4路徑選擇對(duì)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(kāi)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(gè)控制回路，第一個(gè)部分是針對(duì)開(kāi)關(guān)M5的操作，另一個(gè)部份是用以決定全橋架構(gòu)M1~M4的路徑選擇。首先，當(dāng)開(kāi)關(guān)M5導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)電感與感測(cè)電阻的電流值上升，此時(shí)感測(cè)電阻兩端的跨壓將流于其上的電流轉(zhuǎn)換成電壓訊號(hào)，并透過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯蠛?，于磁滯比較器進(jìn)行比較，以產(chǎn)生M5的控制訊號(hào)。這樣的控制目的在于當(dāng)轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行時(shí)，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(shí)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(huì)不同，大約為較低頻率逐漸升高，再逐漸下降的趨勢(shì)。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(guò)反相器制造一組反相的訊號(hào)，并依需要來(lái)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(shí)，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(wú)電源的RLC串行電路來(lái)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(duì)整個(gè)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(méi)有實(shí)際的大規(guī)模商業(yè)化使用，因此并無(wú)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(shí)考慮因本實(shí)驗(yàn)將以電解電容并聯(lián)的方式來(lái)等效大電容，因此我們?cè)诤侠砬曳奖懔繙y(cè)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(jì)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(jì)，同時(shí)控制方式也有所不同，因此所考慮的僅是在操作時(shí)電感避免達(dá)到磁飽和，同時(shí)考慮此電感值對(duì)于整個(gè)無(wú)電源的RLC串行電路會(huì)造成如何的影響，并且思考其能量轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題，在此我們先選取電感值為2.4mH來(lái)進(jìn)行后續(xù)的分析，并于之后再回頭來(lái)討論電感值的不同所造成的影響。最后，在這個(gè)RLC串行電路中，我們還需要決定感測(cè)電阻所使用的阻值，由于整個(gè)電路中并沒(méi)有固定的電源，同時(shí)在開(kāi)關(guān)控制的部分是以流經(jīng)感測(cè)電阻上的電流做為控制的訊號(hào)依據(jù)，因此當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，我們可以說(shuō)回路上的電流是以回路中的電阻值來(lái)決定其電流的表現(xiàn)。

　　對(duì)于一個(gè)無(wú)電源的RLC串行電路，我們可以以下列式子表示整個(gè)回路的方程式：

　　圖4顯示了實(shí)際開(kāi)關(guān)在切換時(shí)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(guò)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(duì)于感測(cè)電阻上之耗能作積分計(jì)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(huì)使開(kāi)關(guān)切換的頻率上升，在此同時(shí)，我們也需要注意，電感值在足夠大使將使得無(wú)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(cè)電阻的選擇彈性上升，當(dāng)感測(cè)電阻值過(guò)小時(shí)，容易造成其上的電流訊受噪聲的影響，故雖理論上感測(cè)電阻值是越小越好，但實(shí)際上仍需配合實(shí)際的量測(cè)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(lái)做單倍精確的電壓放大，之后的電壓訊號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)，閘極驅(qū)動(dòng)器的部分使用IR2104，整個(gè)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(wú)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(cè)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(jì)，兩者的切換頻率均變動(dòng)于約300Hz至2.2kHz之間。并且由于初步對(duì)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(duì)于整個(gè)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(jì)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(guò)繁復(fù)的設(shè)計(jì)構(gòu)造及控制實(shí)現(xiàn)，在此我們提出并驗(yàn)證了此

　　一簡(jiǎn)單變換輸出電壓極性的架構(gòu)與控制方式。

　　整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)能在整個(gè)系統(tǒng)的效能上得到顯著的提升。

　　總結(jié)

　　本文針對(duì)對(duì)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(shí)，因其架構(gòu)的特性，輸出電壓的極性也無(wú)法變動(dòng)，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(gè)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)。

　　參考文獻(xiàn)

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