基于波传输网络的高压脉冲电源开发

韩其国，徐 平，杨 勇，刘珂舟

HAN Qi-guo, XU Ping, YANG Yong, LIU Ke-zhou

（杭州电子科技大学 自动化学院，杭州 310018）

0 引言

高压脉冲电场（Pulse Electric Fields, PEF）是一种非热灭菌技术，具有灭菌时间短、温升小、能耗低和灭菌效果显著等优点，成为近年来国内外的研究热点[1]。高压脉冲电场灭菌技术主要由高压脉冲电源和灭菌室构成，其中，高压脉冲电源是系统的核心部分。但目前的高压脉冲电源技术大多停留在实验室水平上，或采用俄亥俄州立大学食品系(简称OSU) 的高压脉冲电场调制器系统。为了使该技术能够进一步走向产业化，本文提出新的基于波传输网络原理的高压脉冲电源，能够实现输出高压脉冲的电压、脉宽、频率和脉冲数等参数的精确控制，输出电压50-100kV可调，脉冲宽度1us-10us可调，频率1-100Hz 可调，输出方波，以适应300x300mm极板的电场，在极板间距在2cm～10cm之间平行可调的情况下实现多种电场强度满足灭菌试验的各种要求。

1 脉冲产生电路设计

图1 高压脉冲产生电路

系统利用波传输过程原理，设计脉冲形成网络来产生高压脉冲，再通过脉冲变压器升压使输出电压值达到要求，所设计的电路如图1所示。工作过程如下：由直流高压电源给电容器C1～C34充电至设定值，再控制开关SW1和SW2在不同时刻导通，在脉冲变压器T1的初级产生一个方波脉冲，通过脉冲变压器升压后，在负载C35上产生一个高压方波脉冲。调节电容器C1～C34上的初始电压值，可以改变负载上的脉冲电压值。改变开关SW1和SW2的导通时刻，可以改变负载上的脉冲宽度。

在设计中，电容器C1～C34充电电压值为5kV～10kV，对应负载上脉冲输出电压值为50kV～100kV。改变开关SW1和SW2的导通时刻，可使加在负载上的脉冲宽度在1μs～10μs之间变化。开关SW1和SW2采用氢闸流管。脉冲变压器T1的变比为1：10。硅堆D1的脉冲电流大于200A，耐压大于30kV。

2 能源系统设计

能源系统用于提供系统的直流高压电源，提供给电容器C1～C34充电，电路原理如图2所示。

缓启动电路：一种采用可控硅调压的方式来实现缓启动；

调压器：采用自耦变压器调压；

高压变压器：输入单相交流220V，输出交流4.5kV；

整流桥：采用单相全波整流，整流用高压硅堆采用耐压15kV，电流2A的高压硅堆；

限流电阻：限流电阻主要起保护作用；

储能电容器：电容值为2μF，电容的工作电压6kV；

直流分压器：直流分压器采用电阻分压原理，用10MΩ电阻和10kΩ电阻串联而成。分压比为1000：1。当系统停止工作时，直流分压器还充当储能电容器上能量泄放电阻的作用(时间常数为20s)。

图2 能源系统原理框图

3 控制及显示电路

能源系统中的控制及显示电路如图3所示。在本系统中控制器采用工控机，通过模拟量和数字量的输入输出板卡来实现信号的输入输出。

其中，模拟量输入是指直流高压信号；键盘设置主要设置输出脉冲的宽度、频率、输出脉冲数和工作时间等参数；显示电路主要显示直流高压、输出脉冲的宽度、频率、输出脉冲数和工作时间等；开关量输入只是作为面板开关之间互锁用；开关量输出用于系统的起停、部分弱电电路的供电和一些保护开关的控制；氢闸流管1触发信号和氢闸流管2触发信号都是脉冲信号，这两个脉冲信号频率、脉冲数和两个脉冲信号之间的延时可以通过控制器进行设置。

图3 控制及显示电路原理框图

本系统需要测量的信号主要有直流高压信号和高压脉冲信号。直流高压信号通过电阻分压器后，进行信号隔离转化，输入控制器，进行显示。高压脉冲信号通过脉冲分压器后，输入给示波器，进行观测。脉冲分压器可采用电阻分压器或阻容分压器。

4 脉冲形成网络电容充电电路设计

脉冲形成网络电容充电电路原理如图4所示，充电方式采用L-C谐振充电。图中C36为能库电容，C36由能源系统充电。D2为高压硅堆。L37为谐振电感。L38、L39和SW3表示磁开关。

图4 脉冲形成网络电容充电电路原理

工作过程如下：能库电容C36通过高压硅堆D2、谐振电感L37和磁开关给脉冲形成网络电容C1～C34充电。C1～C34的电压值达到约1.8倍能库电容C36电压值时，充电结束，经过一定时间，磁开关反向饱和，此时开关SW1和SW2分别导通，在负载上产生所需的高压脉冲，单次高压脉冲产生完成，重复频率工作时就不停的重复上述过程。

5 仿真实验结果

设计高压脉冲电场为一平行极板300x300mm，极板间距在2cm～10cm之间，上下平行可调。

图5为输出电压100KV、输出脉宽10μs的输出波形电压和脉宽的模拟输出波形，从该结果可以看出，系统可有效地满足高压脉冲电源的输出要求。

6 结束语

本文提出了一种新的基于波传输网络的高压脉冲电源，脉冲形成网络产生高压脉冲，由工控机作为系统控制器，可精确控制输出脉冲的电压、输出脉冲的宽度、频率和输出脉冲数等，工作电压可达100kV，可以满足高压脉冲电场灭菌系统的需要。

图5 输出波形

[1]JEYAM KONDAN S,JAYAS D S,HOLLEY R A.Pulsed electric field processing of foods：a review [J].Journal of Food Protection,1999,62(9)：1088-1096.

[2]祖国仁,孔繁东,刘阳,等.高压方波脉冲电场对微生物的致死作用[J].高电压技术,2004,30(8)：47-49.

[3]但果,吴延清,邹积岩,等.微机控高精度高压脉冲电源的研制[J].南京理工大学学报,2004,28(4)：164-168.

[4]但果,邹积岩,丛吉远,等.高精度高压脉冲电源原理与实验研究[J].大连理工大学学报,2003,43(9)：623-626.