【導讀】本文研制和開發了大功率介質阻擋等離子體發生電源系統，通過一系列實驗室和現場工程試驗，獲得了電源運行特性和穩定工作條件，進行了長期運行輸出功率20～30kW、最大輸出功率約80kW的工業試驗，實現適用介質阻擋放電的百千瓦級電源的工業應用，掌握了此類大功率電源的設計和制造核心技術。
介質阻擋放電(DBD)最早起源于對臭氧發生及其應用技術的研究。近二十多年來，由于工業等離子體化學合成與分解、環境污染治理等方面的需求，同時又由于材料科學和電力電子技術等相關學科也取得了較大的發展，因此促進了對介質阻擋等離子體產生系統的研究，并很快成為低溫非平衡等離子體研究的熱點之一。
介質阻擋等離子體裝置作為一個由反應器、電源、媒質氣體等組成的系統，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，亦是關鍵技術。
電源工作原理與技術要點
介質阻擋等離子體發生器電源自上個世紀以來隨著電子技術、電力電子技術、控制技術和材料技術等相關學科和技術的發展，經歷了工頻(50／60Hz)、中頻(幾百至幾千Hz)和高頻(>10kHz)三個階段，高頻高壓串聯負載諧振式電源是目前主要發展方向。本文研制大功率電源的主電回路亦采用高頻高壓串聯負載諧振式工作方式，其諧振式控制采用電流過零關斷形式。
1)介質阻擋等離子體串聯諧振式電源工作原理
Hideaki Fujita和Kazuyuki Ohe分別設計了用于介質阻擋等離子體系統的脈沖密度控制電源和用于臭氧生產的時控逆變電源。電源的電壓和頻率是兩個重要參數，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報道。由于介質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阻擋等離子體反應器，實際上構成了一個R、L、C串聯電路系統，該系統必然存在一個固有諧振頻率，并會影響到介質阻擋等離子體系統的頻率特性，進而影響介質阻擋等離子體的放電性能。因此，對介質阻擋等離子體系統諧振問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。
本文采用串聯諧振式電源，其主回路如圖1所示，線框I代表的是串聯逆變供電電源，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；線框II是電流過零關斷諧振控制電路，由霍爾電流傳感器TFI檢測信號，輸入諧振控制器CTRL，CTRL產生IGBT控制信號，輸入IGBT控制極；線框III為阻擋介質反應器等效電路，其中Cd和Cg分別為未放電時介質和氣隙等效電容，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。
圖1：適用介質阻擋等離子體串聯諧振式電源的主回路
2)串聯諧振式控制與電流過零關斷
高頻高壓串聯負載諧振式電源的主要控制方式有：率因數調節PFR(Power FactorRegulation)，PFR控制靠改變驅動信號與反饋電流Ui的相位來調節輸出功率；脈沖密度調制PDM(ulse Density Modulation)，PDM控制通過對逆變器的開關脈沖進行間斷控制，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信號與反饋電流Ui同相位，再使移動橋臂驅動信號超前或滯后基本橋臂驅動信號一個相角。
但是，上述串聯負載諧振式電源控制方式都存在電子開關損耗大，影響電子開關安全使用的問題，電子開關的損耗隨著頻率增大成比例增加，限制了功率提高。為提高開關功率，降低開關損耗，減小電源體積，本文采用準諧振電流過零的軟關斷技術，有效地降低伴隨著高頻化帶來的損耗，突破大功率IGBT模塊的長期工業化安全使用難題。
本文采用的準諧振電流過零電子開關軟關斷方法，工作原理如下：
圖2是研制電源TFI測量主電流IL曲線，一個諧振工作周期分為t0～t2：兩個工作區間。區間l(t0≤t<t1)，t0前VT2導通，t0時刻IL過零，控制回路檢測到過零點時，VT2零電流關斷，實現所謂“過零關軟關斷”，此時VT1尚未導通，電流通過VD1向電源反饋能量；t0后控制信號在t0時刻驅動VT1導通。區間2(t1≤t<t2)，到t1時刻，電流IL再次過零，控制信號在t1時刻驅動VT1零電流關斷，然后驅動VT2導通；工作至t2時刻IL再次過零。t2～t3～t4時段，電路進入下一周期的循環。由于是控制回路檢測到過零點時驅動開關關斷導通和開關，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。
圖2：電流過零諧振式電源主回路工作電流波形圖
等離子體發生電源工業運行特性
本文研制電源是為大型介質阻擋放電負載配套，運用于等離子體煙氣脫硫脫硝工業裝置。在一系列工業試驗和運行中，本電源系統表現穩定、可靠，達到了工程研制目標，表現出優秀特性。
如圖3所示，整個大功率電源實際工業系統的組成如下：三相380V工頻交流電源，先經過隔離變壓器，再經三相調壓變壓器降壓至工作電壓，輸入高壓高頻發生電源，產生的高壓高頻電流加載在由板一板電極結構組成的介質阻擋放電負載上。
圖3：大功率電源實際工業系統組成簡圖
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、電流特性變動的影響，達到后續電路的穩定性，同時防止高壓脈沖電源對主回路的影響，防止造成電源污染，提高整個一二次電路的安全性和可靠性。三相調壓變壓器通過輸出電壓調節，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。阻擋介質放電負載為多個板一板電極結構負載的并聯，為一般大功率阻擋介質放電負載形式。
1)電源過零開關軟關斷運行特性
是否真正實現電流過零電子開關軟關斷，是串聯負載諧振式電源能否長時間可靠工作的關鍵，特別在電源大功率工作狀態，實現電流過零電子開關軟關斷尤為困難和重要。
本文對電源在現場實際運行狀態進行了主電流IL的測量，獲得了大功率下電流過零電子開關軟關斷特性。電源高壓高頻電源產生并輸出幾萬伏的高頻電壓，輸出端為一個高電壓電極接反應器負載正極，另一端負極接反應器負載負極，負極必須可靠接地。負極上串有互感器(見圖3)，互感器的輸出信號由數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。
圖4：串聯負載諧振電源輸出電流和電流過零軟關斷特性
由于實際諧振電源控制電路在電流過零關斷驅動IGBT時存在誤差，產生瞬時脈沖震蕩不可避免，驅動誤差越小則脈沖震蕩越小，脈沖震蕩小，電源電子開關IGBT工作安全性就高。圖4和圖2中的波形毛刺就是IBGT驅動關斷誤差形成的脈沖震蕩電流，它表明在大功率工作狀態下，本文研制的電源系統在電流過零關斷控制串聯負載諧振方面，達到了很高的技術水平，完全保證電源大功率狀態下長時間連續工作的要求，結果令人滿意。
2)電源變負載自適應運行特性
本文研制電源系統的又一重要特點時變負載自適應運行特性，這一優點對工程應用尤為重要。眾所周知，實際工業負載很難做到非常穩定，特別是大功率負載尤其如此。
所謂變負載自適應運行特性是指電源的諧振控制系統并不固定系統諧振頻率，系統諧振頻率是由系統中存在具有感性的高頻變壓器和具有容性的DBD反應器負載所決定，它們實際上構成了一個R、L、C串聯諧振電路。系統負載發生變化時，系統諧振頻率亦發生變化。本文研制電源諧振控制電路是通過檢測主諧振電流實現電流過零軟關斷控制，因此，諧振控制與負載特性無關，從而實現電源的變負載自適應運行特性。
在本文研制電源系統的工程運用試驗中，發現系統的負載不穩定，濕度對負載電氣特性產生不良影響。在不同天氣情況下進行了系統的負載測試，顯示系統負載的電阻特性發生很大變化，從1．56MΩ～200．0MΩ。電源系統的在負載變化情況下，運行諧振頻率相應變化，運行結果見圖5。
圖5：負載保護對電源諧振頻率的影響
3)大功率長時間工業運行特性
大功率諧振電源啟動是發生電子開關IGBT燒損事故最危險時刻，諧振啟動過程的良好設計是研制電源的第一個關鍵問題，本文研制電源系統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放電負載上已經過無數次啟動，至今為止尚未發生IGBT燒損現象，完全滿足工業應用要求。
圖6是研制電源在大功率啟動過程的IGBT觸發信號和諧振主電流特性曲線，主諧振回路經過6～8個諧振周期，主諧振電流達到了穩定工作電流，諧振電流包絡線增長平滑。
圖6：大功率電源諧振啟動過程主電流波形
為了配合介質阻擋放電DBD反應器的工業試驗，本文研制電源進行了長期運行工作可靠性考核，包括48小時12～30kw電源連續運行無故障，至今為止累計運行數千小時無故障，整個電源系統性能狀態穩定。
圖7是隨機采集的電源工作狀態諧振輸出電流Io的波形曲線，圖中(a)和(b)是分別在不同時間尺度200μs和1．0ms的波形描述。圖7(a)中出現的少量曲線毛刺說明：盡管采用電流過零電子開關軟關斷技術，由于電子器件實際性能和大功率工作狀態，仍然會出現少量瞬時電流震蕩脈沖，但不影響IGBT的安全工作。圖7(b)呈現的諧振電流包絡線波動現象，分析認為是整個諧振系統電路中的約300Hz低頻因素造成。
圖7：大功率運行狀態時電源諧振輸出電流波形
針對本文研制電源，進行了不同功率運行的現場工業試驗，結果見表l。如前面所述，電源系統功率調節是通過控制三相調壓變壓器實現，在配套介質阻擋放電DBD負載上，運行功率從l8kW至最大約80kW。由于本文板一板電極結構介質阻擋放電負載所能承受過載電流能力的限制，60kW以上的工作功率試驗均只進行了短時運行，以防負載的阻擋介質擊穿燒毀，基于同樣的原因，80kw以上的試驗未進行。
在表l的全部電源不同功率運行情況中，本文研制電源系統運行穩定、安全，電源系統無任何故障或異常現象，說明本文研制電源的功率設計有很大的冗容，完全可能達到lOOkW甚至更大的工作功率。
表1：不同功率電源運行參數
研制了大功率介質阻擋放電串聯諧振式電源系統，成功配套和應用在大功率板一板電極阻擋介質等離子體煙氣處理裝置，進行了長時間現場工業運行，研制電源系統運行穩定、啟動安全，有很高的工程可靠性，掌握了此類大功率電源的設計和制造核心技術。
諧振電流過零電子開關軟關斷是實現此類阻擋介質放電諧振電源大功率化的最佳方法之一，本文研究表明：該方法和技術非常有效的保證了電子器件IGBT的長期安全工作。
進行了18～80kW不同功率運行試驗，本文研制電源系統具有很大的工作功率冗容，能夠達到100kW級工作水平。
本文研制電源系統具有的變負載自適應運行特性，使電源系統不但能夠運用于配套的煙氣處理介質阻擋等離子體反應器，而且可以廣泛應用于包括臭氧發生器的一系列介質阻擋DBD發生器負載，應用前景廣闊。
