应用于海水淡化之电压双象限升降压转换器

　绪论

　　现今大部分地区，由于工商业的发展及民生需求的增加，水资源的缺乏已成为了不容忽视的潜在威胁。自1950年代起，各式各样的海水淡化方式陆续被发明且改良，而近年来一项新的海水淡化方式---电容去离子化法被提出，其为利用特殊表面构造的电容吸附海水中不同的正负离子，以达成海水淡化之目的[1,2]，这样的方式不仅在海水淡化中有很大的使用空间，更可以扩及到废污水的处理应用。由于电容去离子化法是藉由电容淡化模块上所储存的电荷吸引海水中相反极性的粒子，故传统上应用于此的节能电路是透过将每一级淡化完成之电容上的电荷以升降压转换器转至下一级电容来达成节能的目的。完整应用电容去离子化法之海水淡化系统示意图如图1所示[3]，其运作过程有两个主要部分，第一部分为淡化阶段，此一时期，淡化模块开始充电，在海水注入以后，电容之可导电石墨表面会吸附海水中之带电性粒子。第二部分为清洗阶段，目的为洗去附着在金属电容板上之带电粒子，以利后续新一轮循环淡化的进行。传统上，此一阶段会先将电容板上所存之电荷透过直流转换器转换至下一级，再于无电性吸附的情况下以卤水清洗金属电容板，以结束清洗阶段。

　　在前面的操作中我们可以发现，每一级淡化模块放电时，由于有少许部分能量无法透过升降压转换器放出而留在电容上，此时残存之能量会吸附电容板上的带电粒子而造成电容板不易清洗的现象，因而使清洗阶段时间变长，如此一来将会使导引卤水的驱动马达产生额外的能量消耗。

　　本文透过将升降压转换器的输出电压极性作交替变换，使得金属电容板上的充放电极性亦可交互变换，让与吸附粒子相反极性的电荷可完全放出，甚至是如图2所示，相同极性的电荷因反相充电累积在金属电容板上，对于不易清洗的粒子产生排斥的静电力，使得冲洗离子变得更为容易，缩短清洗阶段所需要花费的时间。

　　为了达成输出电压的极性变换，我们以图3的电路架构来实现。我们的目的是将电容C1上的电压透过升降压转换器转至电容C2，因此，考虑电容C1上的电压可能有两种极性分布，我们以桥式二极管来做整流。当功率晶体管M5导通时，C1上的电压不论极性为何，电流均会依序流过功率晶体管M5，感测电阻R及电感L，而当M5关闭时，电感电流将会经由二极管D及适当的M1~M4路径选择对电容C2充电，其中，M1~M4的全桥架构将可以决定电容C2的极性，达成我们一开始所设定输出极性变换的目标。

　　在控制方面，我们分成两个控制回路，第一个部分是针对开关M5的操作，另一个部份是用以决定全桥架构M1~M4的路径选择。首先，当开关M5导通时，流经电感与感测电阻的电流值上升，此时感测电阻两端的跨压将流于其上的电流转换成电压讯号，并透过适当的放大后，于磁滞比较器进行比较，以产生M5的控制讯号。这样的控制目的在于当转换过程进行时，电容C1及C2上的电压均处于变化状态，因此若采用传统的定频控制，将使得转换效率低落，而磁滞比较器是设定转换电流的上下限，因而可以确保在每次的转换中，电感均是转换相同的能量，故有较佳的转换效率。同时我们也可以注意到，由于电容C1及C2上的电压均处于变化状态，因此切换的频率也会不同，大约为较低频率逐渐升高，再逐渐下降的趋势。另外的一路控制路径则是以磁滞比较器判断电容C1上的极性，再透过反相器制造一组反相的讯号，并依需要来决定全桥架构M1~M4的导通情形以作为电容C2的充电路径选择，进而决定电容C2的极性。

　　由于当M5导通时，电流导通于图3左半边的回路，此路径在等效上可以以一无电源的RLC串行电路来代替，而只是在电容上有跨压作为初始条件，因此我们以这样的等效电路对整个电路做初步分析。首先我们决定电容的部分，由于目前电容去离子化法并没有实际的大规模商业化使用，因此并无可供参考的规格，然而理论上实验中的电容是以平行金属板制作，其所使用的电容值均在数法拉至数十法拉之间，因此我们可以合理推断电容值的选定应越大越好以尽量符合真实的情况，同时考虑因本实验将以电解电容并联的方式来等效大电容，因此我们在合理且方便量测的情况下选取电容值为68mF作为实验及讨论的依据。在电感值的选定上我们可以和一般电源转换器做比较，在一般的设计中，电感值是决定流于其上的电流涟波大小的重要参数，然而在此由于并非传统定电压源的设计，同时控制方式也有所不同，因此所考虑的仅是在操作时电感避免达到磁饱和，同时考虑此电感值对于整个无电源的RLC串行电路会造成如何的影响，并且思考其能量转换效率的问题，在此我们先选取电感值为2.4mH来进行后续的分析，并于之后再回头来讨论电感值的不同所造成的影响。最后，在这个RLC串行电路中，我们还需要决定感测电阻所使用的阻值，由于整个电路中并没有固定的电源，同时在开关控制的部分是以流经感测电阻上的电流做为控制的讯号依据，因此当开关导通时，我们可以说回路上的电流是以回路中的电阻值来决定其电流的表现。

　　对于一个无电源的RLC串行电路，我们可以以下列式子表示整个回路的方程式：

　　图4显示了实际开关在切换时的情形，我们可以从中看出两种切换的比较，而在阻你比分为为临界阻尼的10倍及0.1倍的情况下，比较过阻尼及欠阻尼的电流波形，如图5所示，我们可以发现在不失一般性的情况下，对于感测电阻上之耗能作积分计算，在带入初始值的条件下，我们可以得到欠阻尼有较低耗能的结果。

　　相同的，反之则会使开关切换的频率上升，在此同时，我们也需要注意，电感值在足够大使将使得无电源的RLC串行电路容易操作在欠阻尼的区间，进而使得感测电阻的选择弹性上升，当感测电阻值过小时，容易造成其上的电流讯受噪声的影响，故虽理论上感测电阻值是越小越好，但实际上仍需配合实际的量测及使用环境而选定。

　　实验结果

　　为了验证系统的正确性，这里使用离散组件实做电压双象限升降压直流转换器，如下图6。为减少导通损耗造成的功率消耗，所使用的功率晶体管为低导通电阻的N-MOSFET IRFB3206，而放大器是使用INA117p来做单倍精确的电压放大，之后的电压讯号放大是以TL082CN实现，磁滞比较器则是以比较器LM393N及S-R闩锁器CD4043接成磁滞的功能来实现，闸极驱动器的部分使用IR2104，整个系统的最高电压设定在15V，最低则是在-15V。

　　图7是以电容C1预先充电至20V之正向转换实验结果，其中正反相转换并无严格定义，仅作为区别不同的操作模式使用，在此实验结果下，我们可以发现能量转换效率在大约75%，为可接受的效能表现。图8为电容C1预先充电至20V之反向转换实验结果，从量测曲线中可以发现能量转换效率也有约75%，证明在此一架构及控制方式下，我们可以达成所设定的电压双象限升降压直流转换器设计，两者的切换频率均变动于约300Hz至2.2kHz之间。并且由于初步对于电路架构的探讨，在能量转换方面也可以达成75%的转换效能，此点在对于整个电路作更详尽及严谨的分析与模拟后可望再进一步的提升。

　　目前在电容去离子化的节能系统设计上，许多实验成果是使用相同的变换极性概念，然而这些极性的输出变换是透过繁复的设计构造及控制实现，在此我们提出并验证了此

　　一简单变换输出电压极性的架构与控制方式。

　　整个设计之后将用于结合完整的电容去离子化系统，由于类似的概念在海水淡化的电透析法中实际使用后得到了显著的节能效果，因此我们预计能在整个系统的效能上得到显著的提升。

　　总结

　　本文针对对于环境冲击较小且更为节能的电容去离子化技术做节能架构的改良，传统升降压转换器中，当输入电源固定时，因其架构的特性，输出电压的极性也无法变动，因此所讨论的节能架构中，以和电透析技术相似的作法，将淡化模块作周期性的电压极性变换，可将应用于淡化模块的节能架构效率做更进一步的提升，进而提升整个系统的效率，因此本文着重在如何将用于节能架构中之升降压转换器的输出电压极性做周期性的变换，并以低成本的方式实现。

　　参考文献

　　[1] T. J. Welgemoed and C. F. Schutte, “Capacitive Deionization TechnologyTM: an alternative desalination solution,” Desalination, vol. 183, pp. 228-231, Nov. 2005.

　　[2] I. C. Escobar and A. I. Schäer, Sustainable Water for the Future: Water Recycling versus Desalination. Boston: Elsevier Science, 2009.

　　[3] A. M. Pernía et al., “Up-down converter for energy recovery in a CDI desalination system,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, pp. 3257-3265, Jul. 2012.