引言

由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。中國(guó)共有20多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)鍋爐，每年耗煤量巨大，燃煤過(guò)程中，釋放出大量的SO2，NO2，CO，CO2，NH4等有毒氣體和一些顆粒狀的飛灰和黑煙。為了解決這一環(huán)境問(wèn)題我國(guó)先后經(jīng)歷了：氨酸法，氧化鋅法，亞硫酸鈉法，石灰石法，石灰石-石膏法，石灰-亞鈣法，含碘活性炭吸附法，旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法，爐內(nèi)噴鈣及尾部增濕法等方法來(lái)去除釋放到大氣中的有毒氣體和飛灰、黑煙。近些年出現(xiàn)的在直流基礎(chǔ)高壓上疊加交流高頻電壓產(chǎn)生的交直流疊加電源的供電方法，由于其脫硫效率高而得到了世界范圍的廣泛關(guān)注。但是由于要求輸出的交流電壓頻率及開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率較高，因此，開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較大，容易使器件因溫度過(guò)高而損壞。解決這一問(wèn)題的方法之一就是將用于產(chǎn)生交流高頻高壓的DC-AC變換器用軟開(kāi)關(guān)方法實(shí)現(xiàn)。本文采用軟開(kāi)關(guān)方法之一的全橋移相控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，并且對(duì)電路工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及全橋移相控制軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了工作分析及計(jì)算機(jī)仿真，并且比較了仿真結(jié)果。

DC/AC變換器的工作原理

本文所要論述的高頻高壓電源是脫硫脫硝交直流疊加電源中的交流電源部分，電路的原理圖如圖1所示。圖中的Vin是電網(wǎng)電壓通過(guò)晶閘管整流和濾波后得到的可控直流電壓，Z1-Z4 組成全橋DC/AC變換器，可控直流電壓經(jīng)過(guò)全橋變換器的逆變，輸出高頻方波電壓，再經(jīng)過(guò)隔離變壓器TX1的作用，在變壓器副邊得到高頻的交流電壓，其中隔離變壓器TX1起隔離和升壓作用。圖中的L1是串聯(lián)諧振電感，其中包括變壓器漏感及外加電感。R1是在電路仿真時(shí)，線路及開(kāi)關(guān)管的等效電阻。由于在脫硫脫硝供電電源中，交流電源的負(fù)載特性呈現(xiàn)容性，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)負(fù)載上存在能量損耗，因此，仿真中用 Cp和等效電阻R2作為模擬負(fù)載。
該電路簡(jiǎn)化的電路原理圖如圖2所示：

圖1　基本的DC/DC變換電路（略）
圖2　簡(jiǎn)化的全橋變換電路原理圖（略）
圖3　硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下變換電路工作波（略）

圖中Vab是通過(guò)全橋逆變后輸出的方波電壓。

L是基本變換電路中的L1，C是負(fù)載等效到原邊的電容。由于R1較小，R2的值通常很大，因此在簡(jiǎn)化的電路圖中，可以把這兩個(gè)電阻省去。
圖中的方波電壓Vab包括基波及高次諧波。在基波頻率上，L的感抗小，C的容抗大，因此基波電壓降落在電容上；而對(duì)于高次諧波，感抗大，容抗小，諧波電壓降落在電感上，因此本電路有濾去高次諧波的功能，負(fù)載電容上能夠得到比較理想的正弦波。

分析基本的DC/AC變換電路，可得出電路的工作波形如圖3。

把原理圖中逆變器后面部分看成一個(gè)整體負(fù)載，由L1、TX1、Cp等組成的負(fù)載等效成由電感電容組成的負(fù)載，則開(kāi)關(guān)頻率大于負(fù)載諧振頻率時(shí)，由于總的jwl大于(jwc)-1，因此電路整體負(fù)載呈現(xiàn)電感性；否則電路呈現(xiàn)電容性。本文討論電路整體負(fù)載呈現(xiàn)電感性的情況。

圖中Vp是Z1-Z4的控制脈沖。Vab是指經(jīng)過(guò)IGBT逆變后得到的電壓(忽略IGBT和二極管管壓降的不同)。根據(jù)IGBT和二極管的導(dǎo)通情況，可以得到IL1的波形如圖3所示。負(fù)載Cp上的電壓形Vcp滯后IL190o，電壓波形如圖3中Vcp所示。

把L1、TX1、Cp等看成一個(gè)整體負(fù)載，在整體負(fù)載呈現(xiàn)電感性條件下，主開(kāi)關(guān)IGBT兩端的電壓電流波形如圖3中Vz1、IZ1所示?？梢钥闯鲋鏖_(kāi)關(guān)管可以在零電壓條件下開(kāi)通，卻在大電壓大電流下關(guān)斷，關(guān)斷損耗大。尤其在高頻情況下，開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率成比例上升，器件發(fā)熱嚴(yán)重，容易損壞管子。為了解決這一問(wèn)題，本文采用全橋移相控制軟開(kāi)關(guān)的方法，用以降低開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗。

移相控制FB-ZVS DC-AC變換器的工作原理

全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路是適合于大功率開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)電路，它不僅保持了準(zhǔn)諧振電路開(kāi)關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，且電路工作于固定的開(kāi)關(guān)頻率。和普通的硬開(kāi)關(guān)全橋變換電路相比，全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路只是在普通的硬開(kāi)關(guān)全橋變換電路的基礎(chǔ)上，在各主開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)諧振電容，它包括外加電容及開(kāi)關(guān)器件中的結(jié)電容。因此，對(duì)電路來(lái)說(shuō)，其成本和復(fù)雜程度基本上沒(méi)有增加，但不同的是它采用移相控制，在換流時(shí)利用諧振實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的零電壓開(kāi)通，由于并聯(lián)電容的存在，又可使主開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。

全橋移相零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)電路原理圖見(jiàn)圖4，電路中諧振電容

C1=C2=C3=C4其工作波形如圖5所示：
假設(shè)電路在t0時(shí)刻的工作狀態(tài)為:Z1,Z4導(dǎo)通，電路的工作過(guò)程可簡(jiǎn)述如下：

[t0-t1]:Z1,Z4 導(dǎo)通 ，VAB=+Vin,Il1上升，電源向負(fù)載輸出能量；
[t1-t2]:t1時(shí)刻，關(guān)斷Z1 ,由于C1 的存在，Z1兩端的電壓不能突變，因此，Z1在零電壓條件下關(guān)斷。電路開(kāi)始對(duì)電容C1進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)C3進(jìn)行放電；

[t2-t3]:t2 時(shí)刻，C1充電至輸入的直流電壓時(shí)，C3放電到零，D3自然導(dǎo)通，電路進(jìn)入D3,Z4導(dǎo)通的續(xù)流階段，VAB=0,Il1 保持不變，電路不傳送能量；

[t3-t4]:t3 時(shí)刻給主開(kāi)關(guān)管Z3觸發(fā)脈沖，由于D3導(dǎo)通， Z3反偏，Z3不能開(kāi)通，電路仍處 D3,Z4導(dǎo)通的續(xù)流階段，直到 時(shí)刻；

[t4-t5]:t4 時(shí)刻，關(guān)斷Z4，同樣由于C4的存在，Z4是在零電壓條件下關(guān)斷的。電路開(kāi)始對(duì) C4進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)C2進(jìn)行放電；

[t5-t6]:t5 時(shí)刻，C4充電至輸入電壓，C2放電到零，D2自然導(dǎo)通，電路進(jìn)入由D2,D3導(dǎo)通的反向供電階段，VAB=-Vin, Il1下降，負(fù)載向原邊反饋能量；

[t6-t7]:t6 時(shí)刻給Z2發(fā)觸發(fā)脈沖，由于D2導(dǎo)通，Z2反偏，因此Z2不能導(dǎo)通，電路維持D2,D3導(dǎo)通；

[t7-]:t7 時(shí)刻IL1過(guò)零反向，Z2Z3導(dǎo)通，因此Z2Z3是在零電流零電壓條件下開(kāi)通，之后電路進(jìn)入Z2Z3導(dǎo)通階段，VAB=-Vin,Il1 繼續(xù)下降，直到Z3關(guān)斷脈沖的到來(lái)；

同樣可得，由于C2,C3的存在，Z2,Z3是在零電壓條件下關(guān)斷的；而Z1,Z4是在零電流零電壓條件下開(kāi)通的。

圖4　FB－ZVS變換電路原理圖（略）
圖5　FB－ZVS變換電路工原波形（略）
圖6　硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的Vab IL1,Vcp的仿真波形（略）
圖7　硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)管子兩端電壓、電流波形（略）

由以上分析可得：通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖之間錯(cuò)開(kāi)的寬度，即調(diào)節(jié)電路傳遞能量和電路處于續(xù)流階段時(shí)間的比例，就能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。
主開(kāi)關(guān)管的電壓電流波形如圖5中 Vz1 ,Iz1所示，和普通的硬開(kāi)關(guān)全橋變換電路相比，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷情況有了很大的改善。以Z1關(guān)斷時(shí)為例，當(dāng)關(guān)斷信號(hào)到達(dá)Z1時(shí)，由于諧振電容的存在，使得關(guān)斷時(shí)Z1兩端的電壓為零。關(guān)斷過(guò)程中，IL1=IZ1+IC1+IC3，所以IZ1上的電流大大減小，使得開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗得以降低，從而提高了效率。

仿真波形分析及其比較

a)在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下電路的仿真波形

對(duì)高頻高壓DC/AC電源進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，仿真電路如圖6、7所示，其中直流輸入電壓為120V，變壓器變比為 1:20，理
論上，在變壓器副邊應(yīng)該得到2400V的交流電壓，但從圖6的仿真波形得到輸出電壓約為8KV，因此可以看出串聯(lián)諧振電感 與負(fù)載電容發(fā)生了諧振，使輸出電壓達(dá)到8KV。

圖6的仿真結(jié)果與理論上得到的工作波形大致相同。硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下IGBT在關(guān)斷時(shí)兩端電壓電流的波形情況如圖7所示。從圖中可以明顯看出，主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管上大電壓和大電流重疊，造成開(kāi)關(guān)損耗較大。通過(guò)仿真結(jié)果計(jì)算可得, Z1的關(guān)斷損耗為12.7 W；在整個(gè)工作過(guò)程中，Z1、D1的總損耗為132W。隨著輸出頻率的增大，開(kāi)關(guān)頻率相應(yīng)增大，開(kāi)關(guān)損耗隨之增大，總損耗也增大，可能導(dǎo)致IGBT因結(jié)溫過(guò)高而燒損，這樣就限制了開(kāi)關(guān)頻率及輸出頻率的進(jìn)一步提高，因此在DC/AC的高頻高壓電源中，有必要采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。

b)軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下電路的仿真波形

對(duì)圖4全橋移相軟開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，仿真結(jié)果如圖8圖9所示。

圖8　軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的Vab IL1,Vcp仿真波形（略）
圖9　軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)管子兩端電壓、電流波形（略）

由于在移相控制中，出現(xiàn)了二極管和主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的續(xù)流階段，在此階段中，Vab兩端電壓為零，IL1基本保持不變。采用全橋移相控制方式實(shí)現(xiàn)的DC/AC變換中，在關(guān)斷IGBT時(shí)，主開(kāi)關(guān)管上的電流轉(zhuǎn)移到了IGBT兩端并聯(lián)的電容以及同橋臂的電容中，使IGBT上流過(guò)的電流迅速降低，VZ、IZ重疊部分減少，開(kāi)關(guān)損耗與硬開(kāi)關(guān)條件下相比大幅度降低。由仿真結(jié)果計(jì)算可得，Z1的關(guān)斷損耗為8.1 W；在整個(gè)工作過(guò)程中，Z1、D1的總損耗為78W。和普通的硬開(kāi)關(guān)全橋變換電路下的12.7W、132W相比，器件的損耗大為降低，從而可以提高開(kāi)關(guān)頻率及輸出頻率，因此用軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)高頻高壓DC/AC電源是可行的。