大功率介質(zhì)阻擋等離子體電源特性及工業(yè)應用研究

引言
介質(zhì)阻擋放電(DBD)最早起源于對臭氧發(fā)生及其應用技術(shù)的研究。近二十多年來(lái)，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)了對介質(zhì)阻擋等離子體產(chǎn)生系統的研究，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)由反應器、電源、媒質(zhì)氣體等組成的系統，通常要在適當的氣體流量、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(kāi)發(fā)了大功率介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生電源系統，通過(guò)一系列實(shí)驗室和現場(chǎng)工程試驗，獲得了電源運行特性和穩定工作條件，進(jìn)行了長(cháng)期運行輸出功率20～30kW、最大輸出功率約80kW的工業(yè)試驗，實(shí)現適用介質(zhì)阻擋放電的百千瓦級電源的工業(yè)應用，掌握了此類(lèi)大功率電源的設計和制造核心技術(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)世紀以來(lái)隨著(zhù)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)負載諧振式工作方式，其諧振式控制采用電流過(guò)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分別設計了用于介質(zhì)阻擋等離子體系統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，研究電壓和頻率對放電性能的影響的報道也很多，但在激勵電源變壓器參數與反應器結構參數相匹配方面的研究還未見(jiàn)報道。由于介質(zhì)阻擋等離子體系統中存在具有感性的電源變壓器和具有容性的介質(zhì)阻擋等離子體反應器，實(shí)際上構成了一個(gè)R、L、C串聯(lián)電路系統，該系統必然存在一個(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，對介質(zhì)阻擋等離子體系統諧振問(wèn)題的研究對于提高系統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(xiàn)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和快恢復二極管VD1～VD2構成半橋逆變電路；線(xiàn)框II是電流過(guò)零關(guān)斷諧振控制電路，由霍爾電流傳感器TFI檢測信號，輸入諧振控制器CTRL，CTRL產(chǎn)生IGBT控制信號，輸入IGBT控制極；線(xiàn)框III為阻擋介質(zhì)反應器等效電路，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(guò)零關(guān)斷
高頻高壓串聯(lián)負載諧振式電源的主要控制方式有：率因數調節PFR(Power FactorRegulation)，PFR控制靠改變驅動(dòng)信號與反饋電流Ui的相位來(lái)調節輸出功率；脈沖密度調制PDM(ulse Density Modulation)，PDM控制通過(guò)對逆變器的開(kāi)關(guān)脈沖進(jìn)行間斷控制，調節輸出脈沖密度的大小，以達到功率調節的目的；移相控制一脈沖寬度調制PSC―PWM(hase ShiftingContr0l-PWM)，PSC-PWM控制將基本橋臂的驅動(dòng)信號與反饋電流Ui同相位，再使移動(dòng)橋臂驅動(dòng)信號超前或滯后基本橋臂驅動(dòng)信號一個(gè)相角。
但是，上述串聯(lián)負載諧振式電源控制方式都存在電子開(kāi)關(guān)損耗大，影響電子開(kāi)關(guān)安全使用的問(wèn)題，電子開(kāi)關(guān)的損耗隨著(zhù)頻率增大成比例增加，限制了功率提高。為提高開(kāi)關(guān)功率，降低開(kāi)關(guān)損耗，減小電源體積，本文采用準諧振電流過(guò)零的軟關(guān)斷技術(shù)，有效地降低伴隨著(zhù)高頻化帶來(lái)的損耗，突破大功率IGBT模塊的長(cháng)期工業(yè)化安全使用難題。
本文采用的準諧振電流過(guò)零電子開(kāi)關(guān)軟關(guān)斷方法，工作原理如下：

圖2是研制電源TFI測量主電流IL曲線(xiàn)，一個(gè)諧振工作周期分為t0～t2：兩個(gè)工作區間。區間l(t0≤tt1)，t0前VT2導通，t0時(shí)刻IL過(guò)零，控制回路檢測到過(guò)零點(diǎn)時(shí)，VT2零電流關(guān)斷，實(shí)現所謂“過(guò)零關(guān)軟關(guān)斷”，此時(shí)VT1尚未導通，電流通過(guò)VD1向電源反饋能量；t0后控制信號在t0時(shí)刻驅動(dòng)VT1導通。區間2(t1≤tt2)，到t1時(shí)刻，電流IL再次過(guò)零，控制信號在t1時(shí)刻驅動(dòng)VT1零電流關(guān)斷，然后驅動(dòng)VT2導通；工作至t2時(shí)刻IL再次過(guò)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到過(guò)零點(diǎn)時(shí)驅動(dòng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷導通和開(kāi)關(guān)，主回路的工作頻率fs取決于主回路的諧振參數，選取適合的主回路參數，將諧振頻率限制在16～30kHz，對于大電流IGBT安全工作是非常必要。

2 等離子體發(fā)生電源工業(yè)運行特性
本文研制電源是為大型介質(zhì)阻擋放電負載配套，運用于等離子體煙氣脫硫脫硝工業(yè)裝置。在一系列工業(yè)試驗和運行中，本電源系統表現穩定、可靠，達到了工程研制目標，表現出優(yōu)秀特性。
如圖3所示，整個(gè)大功率電源實(shí)際工業(yè)系統的組成如下：三相380V工頻交流電源，先經(jīng)過(guò)隔離變壓器，再經(jīng)三相調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構組成的介質(zhì)阻擋放電負載上。

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，達到后續電路的穩定性，同時(shí)防止高壓脈沖電源對主回路的影響，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。三相調壓變壓器通過(guò)輸出電壓調節，控制電源系統的功率輸出，本電源系統使用的機械式調壓變壓器，也可很方便的采用電子調壓方法。阻擋介質(zhì)放電負載為多個(gè)板一板電極結構負載的并聯(lián)，為一般大功率阻擋介質(zhì)放電負載形式。