脱硫脱硝电源中高频高压交流电源的实现

Allevi

脱硫脱硝电源中高频高压交流电源的实现

1        前言

4 ^$ _) o- S% d; y　　随着全球工业发展和人口的不断增长，世界上许多地区（包括中国）出现了严重的酸雨现象，环境酸化已成为普遍关注的全球问题之一。废气浓烟中的

是形成酸雨的主要原因，这些污染物主要来自煤炭燃烧和石化原料的废气中。我国先后经历过石灰石法，旋转喷雾干燥法等方法来解决这一环境问题。近些年出现的在直流基础高压上叠加交流高频电压产生的交直流叠加电源的供电方法，由于其脱硫效率高而得到了世界范围的广泛关注。
" Y9 F+ y! n5 ~) l) _) n) G" e0 u脱硫脱硝交直流叠加电源中的直流高压使反应器进入流光放电区，而高频高压交流电源可以扩大反应器形成流光放电所对应的电压范围，从而扩大脱硫脱硝化学反应的有效工作区，有利于提高系统效率。本文讨论了此交流电源的实现原理，并且分析了电路工作在不同状态下开关管的开关情况。由于在脱硫脱硝系统中，提高加在负载上的交流电压的有利于提高系统效率，因此要提高开关频率，同时要降低器件损耗。实现IGBT的软开关是降低器件开关损耗的有效方法，本文采用全桥移相软开关控制的方法降低器件的开关损耗。

2        主电路工作原理
% M6 x. C' b8 G, l+ S+ k
2．1　 电路工作状态分析

　　本文所要论述的高频高压电源是脱硫脱硝交直流叠加电源中的交流电源部分，电路的主电路如图1所示。图中的

是电网电压通过二极管整流和滤波后得到的直流电压，经过

组成的全桥DC-AC变换器逆变，输出高频方波电压，经过隔离变压器隔离和升压，在负载上得到高频高压交流电压。脱硫脱硝反应器是该电路的负载，反应器呈容性，同时在实验中发现反应器上存在能量损耗，因此，电路图中用

和电阻

作为等效负载。图中的

是串联谐振电感，包括变压器漏感及外加电感，在负载和变压器确定后，根据电路设计阻抗合理选择

的参数，使负载得到系统要求的输出电流和电压。

3 M% L4 s" w9 H9 W图1 脱硫脱硝交流电源电路图
4 I" s* i3 q3 k  p, m- T

图2 简化的电路原理图
, E+ U0 U( d# W# S& U/ P9 H　　简化的电路原理图如图2所示。图中的

是逆变桥输出的高频方波电压，

是负载折合到原边的等效值，图中忽略等效电阻

，因其阻抗远大于电容的容抗。

可以分解为基波分量及各次谐波分量，基波频率等于开关频率。对于谐波来说，此处感抗远大于容抗，因此谐波电压基本降落在电感上，负载上主要得到基波电压和电流。如果不考虑线路电阻，则逆变电路输出电流、负载电流和负载电压的基波分量

分别由下式决定（下标 表示电流电压的基波分量，w表示基波角频率）：

3 r1 X& [8 y" \6 C# l* Q

' |4 j; t- d( _3 Q

　　从式中可以看出，理论上若使感抗等于容抗，即使电路工作在串联谐振点上，则电路中流过的电流可以无穷大，

可以无穷大，因此当变压器变比及反应器的电容值一定时，调节电感

可以调节电路中的总阻抗，继而调节电路电流

和负载电压

，在一定的输入电压下得到所需高频交流电压。同时调节电感8还可使电路分别处于容性或感性状态下。当

时，电路工作在容性状态下，IGBT在零电流条件下关断，但在大电流大电压条件下开通，关断损耗小，开通损耗较大；而当

时，电路工作在感性状态下，IGBT在零电流零电压条件下开通，但在大电流大电压条件下关断，开通损耗小，关断损耗大，因此当开关频率需要进一步提高时，有必要使开关管同时工作于软开通及软关断状态下以减小开关损耗。
2．2　全桥移相控制软开关电路工作原理
  q0 q" `  s$ q+ @/ m" A3 O, e( P( v
　　在脱硫脱硝电源系统中，对交流电压的

有一定要求。专家们从实验中得出，在1us内的dv达到200V时，可以扩大反应器形成流光放电所对应的电压范围，即扩大脱硫脱硝化学反应的有效工作区，有利于提高系统效率；澳大利亚专家建立了脱硫脱硝反应器的模型，分析后得出交流电压在1us内的dv达到1000V时，脱硫脱硝效率更高，因此提高交流电压的

对脱硫脱硝系统有利。提高

的方法一是可以在一定的开关频率下提高交流电压的峰值，二是尽可能提高开关频率。但开关频率较高时，开关管开关损耗较大，结温升高，不利于器件散热及电路的正常工作，因此，当电路工作在感性状态时，可以利用全桥移相控制方法来实现开关管的软开通与软关断。
　　全桥移相控制软开关方法可在逆变电路的各IGBT器件两端并联谐振电容，电路图及工作波形分别如图3、图4所示。其工作过程简述如下：
7 N7 {! j# n4 u9 P. ^2 G
( q7 T$ r: ^) [4 S

图3　全桥移相软开关逆变电路图
& W7 i/ ~0 k  q. p! T6 u; K5 G

/ E: K* ~" j4 e图4 全桥移相电路工作波形
　　假设电路在

时刻的工作状态为

导通，
　　

导通，

上升，电源向负载输出能量；
+ }! P9 j8 n: x9 s$ u　　

时刻，关断

,由于

的存在，

两端的电压不能突变，因此，

在零电压条件下关断。电路开始对电
' D* b% D. R% ^3 H! o- {& q容

进行充电，同时对

进行放电；
　　

时刻，

充电至输入的直流电压时，

放电到零，

自然导通，电路进入

导通续流阶段，

保持不变，电路不传送能量 ；
: S  n' C; c9 b" [5 U4 O6 U　　

时刻给主开关管

触发脉冲，由于

导通，

反偏，

不能开通，电路仍处于

导通的续流阶段，直到

时刻；
$ k/ F/ d* W# T+ X" K# b7 r" f) l　　

时刻，关断

，同样由于

的存在，

是在零电压条件下关断的。电路开始对

进行充电，同时对

进行放电；
　　

时刻，

充电至输入电压，

放电到零，

自然导通，电路进入由

导通的反向供电阶段，

下降，负载向原边反馈能量；
# T% b- m+ z6 \/ i+ c. L. d　　

时刻给

发触发脉冲，由于

导通，

反偏，因此

不能导通，电路维持

导通；
　　

时刻

过零反向，

导通，因此

是在零电流零电压条件下开通，之后电路进入

导通阶段，

继续下降，直到

关断脉冲的到来；
0 |4 X. T3 j7 L  N; s$ Z* l) A! B　　同样可得，

的存在，

在零电压条件下关断；而

在零电流零电压条件下开通。和普通的硬开关全桥变换电路相比，开关管的关断情况有了很大的改善。

4 A0 @( a7 w6 C2 u  T3        控制及驱动电路设计
1 t6 L: f* V8 k& o6 D- @6 Y
　　电路所要求的脱硫脱硝电源是在高压直流电源上叠加高频高压交流电源，控制电路框图如图
( K* {) [; q+ q* N+ H2 V( f) S5所示。控制脉冲的产生采用开关电源的集成控制芯片1524，从1524芯片输出两路互补的控制脉冲，经驱动芯片Ι隔离放大后驱动 。利用门电路及单稳触发电路可得到全桥移相控制的另外两路脉冲，经驱动芯片Ⅱ隔离放大后驱动

。控制信号的频率可以通过1524芯片的

和

确定；占空比则由同相/反相输入端调节；信号间的移相范围通过单稳态触发电路的

和

调节。

, L: j1 o+ Z2 e/ T: M8 D. \

; J: |1 L. c* Y  q图5 控制电路框图
# A. W! C4 f7 l% d" b+ l$ X　　图5中驱动芯片Ι、Ⅱ采用西门康公司生产的SKHI22A驱动模块，该模块通用于半桥、全桥以及三相全桥拓扑，其外围电路元件少，使用方便，具有死区互锁、欠压及短路保护等功能，是一种性能优异的驱动电路。通过调节输出端的

和

可以匹配IGBT的开通和关断速度，在阻值不超过其极限范围时，阻值越小，开通和关断速度越快。SKHI22A驱动模块具有短路保护功能，通过检测IGBT的C、E两端电压，当电路发生故障，即IGBT短路时给出故障信号，把故障信号引入控制电路，封锁IGBT的驱动脉冲。实验证明该驱动模块使用简单、可靠，具有优良的驱动和保护性能。
& i% Z/ R7 d* k& g1 r
4        实验结果

; ^3 w( Z( a+ Z! C　　在脱硫脱硝系统实验中，当反应器的电晕线间距为 时，将基础直流高压加到20KV，交流电压的峰峰值加到10KV时，脱硫效果比较理想。从工作原理的分析中可知，调整电感使感抗小于容抗，可使电路工作在容性状态下。当开关频率为20KHz，电感值为35.5uH，变压器的漏感为5uH时，电路感抗

；实验中采用的变压器变比为N=27.58，负载的电容值为900pH，从原边侧看电路的容抗为：

，电路总阻抗为

，并呈容性。在该条件下，逆变输出电压

和电流

的实验波形如图6所示（测量所用电流探头为10mV/1A）。从实验波形计算的电路阻抗和理论计算值基本吻合。此时，变压器原边电压波形如图7所示，其峰峰值可达到420V，则在负载上可以得到峰峰值为11KV以上的交流高压，满足交流电压峰峰值为10KV的设计要求。由图6可以看出，在容性状态下，IGBT在零电流零电压条件下关断，却在大电流大电压条件下开通，因此开通损耗较大。
4 L9 \4 M4 }& Q* W: j
5 A3 z" {4 l2 m! a, T

图6 容性状态下逆变输出电压

和电流波形

, w$ }2 Z4 I9 N5 k9 g( P图7 容性状态下变压器原边电压电流波形
* _! d' @7 [; A* l9 A' ]9 K3 G( Y　　通过改变电感

的参数也可使电路工作在感性状态下，实验中当电感值为112uH时，分别计算感抗和容抗，电路总阻抗呈感性。此时逆变输出电压电流的实验波形如图8所示。可以看出此时IGBT在大电流情况下关断，但在零电流条件下开通，关断损耗较大。

图8 感性状态下逆变输出电压和电流

4 u( k  `+ t% i: M0 C: @

图9 全桥移相控制软开关下逆变输出电压和电流　为了进一步减小IGBT的开关损耗，实验中又在上述感性条件下采取了全桥移相控制软开关的方法，即在各IGBT两端并联谐振电容，并按图4所示的控制信号给各IGBT发触发脉冲，得到的逆变输出电压和电流的实验波形如图9所示。图10为IGBT

的关断过程，
# F. u# x# J' H* W1 O, f- w0 u

图10

的关断过程

9 D( i9 \  Y8 q  X, n/ k图11

关断过程中的

其中CH1为包括

的电流波形，CH2为

的触发脉冲，CH3为

两端的电压波形。

的波形如图11 中CH1所示，在

的关断过程中，二极管

上没有电流，所以图9所示电流波形减去图10中的

即为

上流过的电流。由于所用电流探头的采样频率为0.1MHz，电流波形已经失真，但从脉冲和电压波形中可以看出，关断脉冲发出后，

两端电压缓慢上升，为零电压关断，减小了IGBT的关断损耗。
  O6 k. o& ]( e6 ]. o6 p* C* y通过上述实验波形及分析表明，当电路工作在感性状态时，利用全桥移相控制软开关方法可以使IGBT处于零电压关断状态，而在感性条件下IGBT本身也处于零电流开通状态，因此可以同时降低IGBT的开通损耗和关断损耗，有利于进一步提高电路的工作频率，进而提高系统的脱硫效率。
* D: V" `+ e6 b( K1 y% H
) ?# B. t0 {) N* a5        结论
" J8 E. @& c9 D
　　本文论述了脱硫脱硝高压交直流叠加电源中的交流电源部分，分析了电路工作于容性及感性状态下的工作原理以及在容性及感性状态下IGBT的开关状态、开关损耗等，给出了各状态下的实验波形。为了进一步减小开关损耗，提高开关频率，本文又分析了全桥移相控制软开关方法的工作原理和实验波形。从实验波形中可以看出当电路工作在感性条件时，利用全桥移相控制方法可以降低开关器件的开通损耗和关断损耗，进而可以进一步提高开关管的开关频率，从而提高系统的脱硫脱硝效率。

9 [2 @) q9 o5 p& Q6 e4 X' n3 }: z参 考 文 献

1. 包金英 梁晖　高频高压软开关DC/AC电源的仿真研究　 北京 世界电子元器件 2003.8
2. 张占松 蔡宣三 开关电源的原理与设计　北京 电子工业出版社 1999
3.        Yang Xu, Wang Zhao\'an　Zero-Voltage-Transition Full Bridge Soft-Switching Circuit Xi’an　Journal of Xi’an jiaotong university
  c; U& X3 L2 V! N- W, I

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