新型高压脉冲电场灭菌电源的研制

2022-10-17 14:04朱博房志寒吴国延魏新劳

电机与控制学报 2022年9期

朱博，房志寒,2，吴国延，魏新劳

(1.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080；2.国网山东省电力公司微山县供电公司，山东济宁 272000))

0 引言

热力灭菌技术能源利用率低，而且会破坏食品中的蛋白质、酶、维生素等成分，进而破坏食品营养，改变食品的天然风味。随着人们物质生活水平的提高，人们在营养健康之上对食品风味有了更高的要求，非热力灭菌技术随之发展[1-3]。在非热力灭菌技术中，高压脉冲电场灭菌技术因升温小、效率高、灭菌时间短等优点被广泛关注，具有巨大的市场价值[4]。

Marx发生器由于结构简单，对输入电源要求低，可通过多级串联获得高电压等优点，在高压脉冲电场灭菌中被逐渐应用。近年来，经典Marx电路中火花开关被功率半导体固态开关代替，电阻被二极管代替，很大程度地提升了脉冲源的工作性能。但经典Marx发生器直流充电电源与高压端的隔离问题仍然存在。当采用电阻隔离时，电容的充电电流会被限制，从而限制了脉冲源的功率、输出电压、频率等参数[5]；当采用电感隔离时，需要考虑输出脉冲脉宽和绝缘问题，设计难度大。经典Marx发生器在驱动容性负载时，脉冲电源放电结束后负载上的电荷不能立刻释放掉，负载电容电压不能迅速下降。这一现象带来了很多不良的影响，对波形的影响很大，难以获得方波[6]。

文献[7]通过IGBT串联技术构成高压、大容量固态开关研制了一种用于脉冲电场灭菌电源，该电源结构简单，但需要较高的直流电压，输出脉宽难以精确的控制，负载适应性差，难以驱动容性或者感性负载。文献[8]魏新劳等人结合经典Marx发生器与IGBT研制了一种大功率高压脉冲电场灭菌电源。该结构采用电感隔离的方式把直流充电电源与高压端隔离开。当输出脉宽和负载固定时，电源有着较好的性能。当输出脉宽增大时，放电时间增加，隔离电感的电流增大隔离能力将会下降，充电电源和IGBT容易过电流，导致系统烧毁。而且电感隔离带来的Boost升压效应，使储能电容电压超过充电电源电压，输出电压会变得不稳定，难以精确控制。

影响高压脉冲电场灭菌效果的主要因素有：脉冲电场强度、脉冲作用时间、脉冲波形、脉冲上升时间以及微生物的的特性。

1)脉冲电场强度。研究表明电场强度对灭菌效果的影响最大，只有当电场强度超过某一临界值时，脉冲电场才有明显的灭菌效果。细胞膜跨膜击穿而导致的微生物死亡率与脉冲电场强度呈正相关，多数研究在电场强度1～4.5 kV/mm的范围内进行灭菌实验[9]。

2)脉冲作用时间。脉冲作用时间是脉冲宽度、脉冲频率与液体流速和处理时间多个因素的综合反应。在一定范围内，脉冲作用时间越长灭菌效果越好，但是脉冲作用时间增加会导致温度升高，温度升高不但会导致能源利用率下降，而且还会影响灭菌的效果，一般脉宽在20 μs以下。

3)脉冲波形。脉冲波形分为方波、指数衰减波和振荡衰减波三种。三者之中方波的灭菌效果最好，振荡衰减波的灭菌效果最差。

4)脉冲上升时间。在细胞跨膜击穿理论中，脉冲上升时间会影响跨膜电位，陡峭的上升沿对金黄色葡萄球菌杀菌效果更好，且温度升高更小[10]。

5)微生物的种类不同其细胞的结构、大小不同，其高压脉冲的耐受能力不同，表现出的电特性参数也不相同。当高压脉冲直接对含有菌类、藻类的液体放电时，其负载特性难以确定，可能表现出阻性、感性或容性[11]。

脉冲电源作为脉冲电场灭菌系统的关键部分，其性能直接影响灭菌的效果。电场强度要达到一定程度后，才有较好的灭菌效果，需要脉冲电源输出较高的脉冲电源。在灭菌的过程中，处理室和液体食品作为脉冲电源的负载，由于处理室和液态食品的导电率较高，电阻值较小，脉冲电源输出较大的电流，因此需要大功率高压脉冲电源。另外，处理室的结构以及微生物的种类不同表现出的负载特性不同，其特性可能为阻性、容性甚至是感性。现在实验室所用大功率高压脉冲电源输出波形多为指数衰减波，即使输出方波的大功率高压脉冲电源，但在容性负载下脉冲电压难以迅速下降，无法正常输出方波影响灭菌效果。本文对经典Marx电路进行改进，能在各种负载下正常输出方波的大功率高压脉冲电源。电源可输出电压幅值10 kV、每秒最大脉冲数1 000、脉冲上升时间300 ns、最大脉宽20 μs的高压方波脉冲，并且重复电压幅值、频率、脉宽可调，能够满足高压脉冲灭菌实验的需求。

1 新型高压脉冲电源工作过程及特性分析

1.1 电路拓扑结构及工作过程

Marx发生器于1923年由德国学者Marx首次提出，它的工作原理总结为“并联充电，串联放电”，利用电容电压不能突变，并通过开关器件实现电压的逐级叠加，实现高电压输出[12]。本文采用半桥式Marx电路构成脉冲源，工作原理与经典Marx相同，在结构上进行了改进，其拓扑结构如图1所示。

图1 半桥式Marx拓扑电路

半桥式Marx电路，每级含有一个储能电容Cn、两个全控的半导体开关Sdn、Scn和一个二极管Dn。开关Sd1～Sdn控制放电，开关Sc1～Scn则控制充电和对负载短路。该电路有放电和充电两个过程。

充电过程，如图2所示。当开关Sd1～Sdn关断，开关Sc0及Sc1～Scn导通时，直流源VDC通过二极管D1～Dn-1和开关Sc0及Sc1～Scn对储能电容C1～Cn充电，在此同时负载也被开关Sc1～Scn短路，负载释放出存储电荷，电压迅速下降。

图2 半桥式Marx电路充电过程

放电过程，如图3所示。当储能电容充满电后，开关Sc0及Sc1～Scn关断，开关Sd1～Sdn导通，储能电容C1～Cn串联起来对负载放电。当开关Sd1～Sdn导通不一致时，储能电容和二极管串联后与IGBT并联，具有电压钳位的功能。

图3 半桥式Marx电路放电过程

该结构无需隔离电感或者隔离电阻，当脉冲源输出高压脉冲时，开关Sc0关断将直流充电电源与高压脉隔离，解决了经典Marx电路直流充电电源与高压端的隔离问题。虽然工作过程与经典Marx发生器相似，但是其在充电的同时负载被短路掉，因此具有驱动阻性、感性、容性等负载的能力。

1.2 高压脉冲源的负载适应性分析

仿真分析半桥式Marx电路在阻性、感性、容性负载下的特性。如图4所示，利用Orcad以5级半桥式Marx电路为例进行仿真，用理想压控开关替代IGBT。输入电压VDC为2 000 V，储能电容值为10 μF。信号V1控制开关Sc0，V2控制开关Sd1～Sd5，V3控制开关Sc1～Sc5。

图4 半桥式Marx仿真原理图

开关的控制时序如图5所示，分别在阻性、容性、感性下进行仿真，分析电路在不同负载下的工作过程。

图5 控制时序波形图

当R=200 Ω，L=0，C=0时负载为阻性，脉冲电压波形如图6所示，0.9～0.995 ms时，开关Sc0及Sc1～Sc5导通、Sd1～Sd5关断，VDC通过二极管和开关Sc0及Sc1～Sc5对储能电容充电；0.995～1.0 ms为死区等待时间，等待Sc1～Sc5完全关断，再导通Sd1～Sd5，防止同一级充电开关和放电开关同时导通，发生短路。1.0～1.02 ms时，开关Sc0断开将直流充电电源与高压脉冲回路隔离开来，开关Sc1～Sc5关断、Sd1～Sd5导通，储能电容C1～C5串联起来向负载放电，1.02～1.025 ms时同样为死区等待时间，本次周期结束。可以看出输出脉冲电压幅值为10 kV，脉冲波形存在一定的电压顶部降落。

图6 阻性负载下仿真波形

当R=200 Ω，L=0，C=0.02 μF时负载为容性，脉冲电压波形如图7所示，可以看出波形与容性下不同。1.00～1.02 ms期间，工作过程与阻性负载下相同，所不同的是容性负载下电压顶部降落较小。1.02～1.025 ms时，开关Sd1～Sd5处于关断状态，开关Sc1～Sc5也未导通，因负载为容性，电压不会降落为零，而是保持一定的电压，如果没有没有一条放电回路此电压将会一直保持。1.025 ms时，开关Sc1～Sc5由关断变为导通，负载电容的放电回路导通，电压迅速降为0。

图7 容性负载下仿真波形

当R=200 Ω、C=0、L=10 mH时负载为感性，脉冲电压波形如图8所示，可以看出脉冲波形与阻性负载下类似，但略有不同。Marx电路在放电过程中，负载电压变化迅速，负载电流迅速增大，由于电感的存在，因此脉冲电压出现了一定程度的过冲。在放电结束后，由于电感电流不能突变，电感通过开关Sd1～Sd5的反并联二极管形成回路，电流迅速将为降为0，负载上的电压也迅速降为0。因此感性负载下脉冲下降沿时间要大于阻性负载下脉冲下降沿时间。

图8 感性负载下仿真波形

通过在阻性、感性及容性负载下的工作过程，可以看出半桥式Marx电路在不同负载下均可正常工作，输出脉冲电压波形良好，具有良好的负载适应能力。

1.3 放电过程中电压钳位分析

第1种情况:在放电过程中，在Sd1～Sd5中除了Sd2之外均由关闭状体变为导通状态，只有Sd2未能正常导通。仿真结果如图9所示，选取Sd1与其对比，可见Sd2上没有出现过电压。

图9 开关未正常导通情况下的电压波形

第2种情况:在放电过程中，假设在Sd1～Sd5中除了Sd2之外均保持导通状态，只有Sd2提前关闭。Sd2上的电压情况如图10所示，选取Sd1与其对比。可见Sd2上并没有出现过电压。

图10 开关提前关断情况下的电压波形

通过对以上两种放电过程中IGBT非正常工作过程的分析，可看出半桥式Marx电路具有良好电压钳制效果。

2 主要脉冲元件参数选择

2.1 电容器的选取

电容器的选取需要考虑额定电压和电容量。在对电容充电时，每一级电容所承受的电压为电源电压2 000 V，实际应用情况下应留出裕度，一般电容两端电压值为电压耐压值的60%～70%，为了确保实验安全取电容耐压值为4 kV。

电容量的选取应该考虑电压顶部降落，应该在最大脉宽放电时，串联电容器上的电压值不能下降到要求的最小电压值。通过下式计算单个电容器的最小电容量：

(1)

式中：n表示半桥式Marx电路的级数；ΔUD为电压最大顶部压降；tM为最大脉冲宽度；IInductor为流过负载的平均电流。综合以上，主电容由4个耐压4 kV、2.5 μF的无极性薄膜电容并联组成。

2.2 二极管的选取

二极管的选取需要考虑最大反向工作电压和最大正向平均电流。因为回路中充电电压为2 kV，所以最大反向工作电压应该大于2 kV。二极管的最大正向平均电流不仅要考虑正常工作状态，还需考虑非正常工作状态。在放电过程中IGBT未正常导通时，电流流通路径如图11所示。

图11 电压钳位过程

在放电过程中当Sd1未正常导通，由于电路的钳位效果，储能电容会通过二极管D1串联起来向负载放电，此时就要考虑二极管的额定电流。根据本文对电源提出的参数，脉冲电压幅值10 kV，而负载的阻抗在几十欧至几百欧之间，因此二极管就要承受数十安培甚至数百安培的电流。二极管ZK800参数如表1所示，能够满足要求。

表1 ZK800参数

2.3 IGBT的选取

IGBT的选取与二极管的选取类似，需要考虑额定电压和电流，此外还需要考虑其开关速度和损耗问题。选用英飞凌公司生产FZ800R33KF2C模块：它的最大击穿电压为3 300 V；在80 ℃时的通流为800 A；导通时间为280 ns，关断时间为1 550 ns。

3 控制与驱动电路

3.1 驱动电路

选用落木源公司的TX-DF102驱动板。其最大输出功率4.5 W、输出电流40 A，可以驱动IGBT模块FZ800R33KF2C；光纤连接输入信号，隔离电压高；具有三段式完善的过电流保护功能；具有过流报警功能。另外该驱动板可以直接镶嵌在本文选定的IGBT模块FZ800R33KF2C上，使电源更加紧凑。

TX-JKDF1A型光电转换板与TX-DF102驱动板配合使用。FPGA产生的电信号通过光电转换板产生光信号，TX-DF102驱动板通过输入的光信号控制IGBT的导通和关断。

3.2 控制电路

选取FPGA黑金开发平台AX301作为控制器，该开发板有68个I/O口供用户使用，内含50 MHz的晶振电路，能产生稳定性好、脉冲频率精度高的脉冲。通过对全局输入时钟分频处理获得需要的控制信号。

为了防止上下桥臂IGBT同时导通出现短路，导致系统烧毁，系统增加了过流保护电路。当IGBT过电流时TX-DF102驱动板会输出报警信号，通过光电转换板反馈到控制器FPGA中对电路实时保护。

4 样机的搭建与性能测试

通过调压器、变压器、高压整流硅堆和滤波电容得到直流电源。根据以上设计方案和器件的选型，搭建了高压脉冲电场灭菌电源，如图12所示。

图12 电源实物图

实验中电压测量采用固纬电子GDS-3152型示波器，带宽150 MHz；选用泰克P6015A型高压探头，带宽75 MHz；设定系统输出脉冲数1 000 pps，脉宽20 μs，直流电源电压为2 kV。当负载为200 Ω的电阻时，脉冲波形全貌如图13所示，脉冲电压幅值为10 kV、脉冲频率为1 000 pps。脉冲波形如图14所示，可见输出脉宽20 μs。脉冲上升沿波形如图15所示，可见脉冲上升沿小于300 ns。