工业用高压脉冲电场灭菌电源研制

0 引 言

食品灭菌处理技术一直是各种食品处理技术中的重点。根据灭菌原理的不同，食品灭菌技术可以分为热力灭菌技术与非热力灭菌技术两大类。虽然热力灭菌技术是目前应用最为广泛的食品灭菌技术，但是它有许多缺点。首先，热力灭菌技术需要将待处理的食品至少加热至微生物失活的最低温度。这一过程中所消耗的能量只有很小部分作用于细菌，而绝大部分的能量则转换为食品中除细菌以外的其它部分的温升而损失，从能源的利用率上来看，热力灭菌技术的能源利用率非常低。其次，热力灭菌技术在灭菌的同时，会破坏食品中的蛋白质、维生素和酶等成分，进而破坏食物营养及天然风味并改变其特性。随着人们物质生活水平的提升，消费者在关注食品安全的同时，更希望食品健康，并且贴近食品的原有风味。于是非热力灭菌技术应运而生[1-3]。

非热力灭菌技术是一种与热力灭菌技术相对的食品灭菌方法，其原理是在不显著改变液体食品温度的前提下，利用其它物理或化学技术达到食品灭菌要求。在多种非热力灭菌技术中，高压脉冲电场灭菌技术凭借其灭菌时间短、能耗少、效率高和基本不破坏食物的原有风味等优点，受到了消费者的青睐，因此此项技术一直是各大研究机构的研究重点。但是高压脉冲电场灭菌技术一直停留在实验室阶段，并没有大范围的投入工业生产中。虽然其原因是多种多样的，但是在众多原因之中缺少一种性能稳定的、适合工业化生产的高压脉冲电源是最大的限制因素[4-7]。

高压脉冲电场灭菌用高压脉冲电源需要满足如下几个要求：

1)合适的脉冲波形。用于高压脉冲电场灭菌的脉冲电压波形分为方波、指数衰减波和震荡衰减波3种。研究结果表明：3种波形中灭菌效果最好的是方波，指数衰减波次之[8]。

2)合适的脉冲重复频率。经过研究发现，脉冲电场的灭菌效果与液体食品在处理室中所受的处理时间呈正比，处理时间是脉冲重复频率与脉冲持续时间的乘积，因此一个高频率的脉冲电压源能够产生更好地灭菌效果，工业化生产处理量也是需要考虑的问题，高频率脉冲电源可以保证液体食品在单位时间中获得更多高压脉冲，提高生产效率，满足生产需求。

3)合适的脉冲电压幅值。影响高压脉冲电场灭菌的一个重要因素就是处理室中电场强度，研究结果表明当电场强度达到20 kV/cm以上时就能有明显的灭菌效果，但是电场强度过高将会引起液体食品在处理室中出现电弧性放电(击穿)，不仅会造成液体食品的污染，而且会直接导致高压脉冲电场灭菌设备的损坏。因此电场强度应在20～50 kV/cm之间为宜。

4)适当的脉冲宽度。脉冲宽度越宽，液体食品在一次脉冲中获得的能量越大，灭菌效果越好。但是脉宽太长，则会引起液体食品的温度急剧上升，容易破坏液体食品的风味。一般使用的脉冲宽度都在20 μs以下[9]。

5)必需的脉冲负载能力。由于需要在液体食品上建立起足够高的脉冲电场，而一般液体食品的电导率都远远大于绝缘液体(数十到数千西门子)，而且，一般液体食品的相对介电常数也比较大，加之生产能力的要求，使得高压脉冲电场灭菌的处理室中高低压电极之间的液体食品的阻抗很小，实际生产设备中这个阻抗可能会小到几十欧姆。这样小的阻抗将会导致高压脉冲电源的输出脉冲电流达到数百安培甚至上千安培，这就给高压脉冲电源的研制带来了很大的技术困难。

6)良好的可靠性与经济性。因为是工业应用的高压脉冲电源，所以一定要有良好的可靠性，否则一旦损坏将为企业带来经济上的损失。另外，经济性也是一个重要指标，一旦成本太高则会限制此种高压脉冲电源的应用范围。

高压脉冲电源需要为整个灭菌系统提供满足灭菌需要的脉冲电压。脉冲电压在处理室中形成脉冲电场，利用脉冲电场达到灭菌的目的。根据组成高压脉冲电源的高压开关实现方式的不同，脉冲电场灭菌用高压脉冲电源分为两类：一类是以球隙放电开关和旋转电极放电为高压开关的高压脉冲电源。这种电源结构简单，价格低廉，但是这种开关只能在电流过零点关断，因此不能用于产生方波高压电压脉冲。另一类是使用固态开关作为高压开关的电子型高压脉冲电源。这类电源开关可自由关断，可产生方波高压脉冲，灭菌效果最好。因此电子型高压脉冲电源是研究的重点。

随着电力电子技术的发展，固态开关在功率以及耐压等级上都有较大的提升，但是单个的固态开关仍难以达到高压脉冲电场灭菌对于电压幅值的要求，因此通常需要使用多个固态开关串联。这种方式虽然简单，并且成本较低[10-13]，但是这种方法成功的关键是串联的固态开关必须保证开通与关断的一致性，如果不能保证各个固态开关动作的一致性，将会造成各个开关上的分压不均，承担电压过高的开关将会被击穿，进而造成整个固态开关串的连锁击穿。由于每个固态开关自身的动态特性以及驱动电路性能无法做到完全一致，因此串联的各个固态开关在开通以及关断时间上都存在着一定的差异，这也是困扰研究人员的主要问题[14-15]。

本文通过对传统的Marx发生器进行改进，设计了一种适合高压脉冲电场灭菌使用的高压脉冲电源，此种电源有着良好的电压钳制功能，从而解决了多个固态开关串联工作时对于各个开关开通一致性的苛刻要求。由于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)具有金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)的快速通断性和电力二极管的高耐压大电流的特性，因此选用IGBT作为高压开关元件。利用现场可编辑逻辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)产生合适的驱动信号，采用光纤实现不同电位之间的电隔离。

1 新型脉冲电场灭菌用高压脉冲电源原理及特性分析

1.1 电路拓扑结构

Marx型高压脉冲发生器，由Erwin Otto Marx于1942年提出，因其能模仿雷电及操作过电压等过程，此结构常在高电压实验中作为冲击电压发生器。其工作原理可概括为：电容器并联充电，串联放电。图1为传统的Marx型高压脉冲发生器电路图[16]。

图1 传统Marx型电源原理图
Fig.1 Traditional Marx power supply circuit

传统的Marx型高压脉冲电源使用气隙开关，因此电源可控性与稳定性较差，并且受到开关绝缘恢复时间的限制，工作频率也相对较低。

作者所在研究团队依据传统的Marx型高压脉冲发生器的原理，利用IGBT替代了原有的气隙开关提高了整个电源的可控性，并且对传统Marx高压脉冲发生器的电路结构进行了修改。

新型高压脉冲电源的主回路是由多个结构相同的标准级单元组成的。1个标准的级单元结构如图2所示。它由1个储能电容，1个IGBT，2个二极管构成，形成1个输入端口和1个输出端口。其中二极管的作用是提供低阻抗的充电回路和阻断不必要的放电回路。图3为新型高压脉冲电源的整体电路原理图。

图2 标准级单元示意图
Fig.2 Standard unit circuit

图3 新型高压脉冲电源电路图
Fig.3 High voltage pulse power supply circuit

1.2 工作过程分析

首先分析其充电过程，以3级电路为例。图4为新型高压脉冲电源充电时的路径示意图。图中实线部分是充电电流流经的途径。充电电源经过二极管和限流电感对电容进行充电。若充电电源电压为U，二级管的导通压降相对于高压充电电源幅值较小，因此忽略不计，各级电容上的电压均为U。限流电感的作用是限制充电电流幅值，保护电路器件。虽然也可以使用电阻限流，但电感没有能量损耗，因此效率更高。

下面分析放电过程。放电电流流经的路径示意图如图5所示。图中的实线部分是放电电流流经的途径。IGBT导通后，二极管因反向偏置而截止。各级电容串联放电，在负载上形成正极性的高压脉冲方波。脉冲的幅值为3U。电容器串联放电期间，限流电感也是一个放电支路，这个支路的存在对于负载上电压的波形是有影响的，为了降低这种影响，电感量应该尽可能选择大。

图4 电源充电过程
Fig.4 Power supply charging process

图5 电源放电过程
Fig.5 Power supply discharging process

新型脉冲电源除了能通过低电压获得高电压以外，电路中的储能电容与二级管串联后与IGBT并联，可以达到钳制电压的效果，站在电路元件的安全角度上，这种优点可以大大降低对于各级开关工作同步性的要求，解决了IGBT直接串联型固态开关中最为关键的连锁击穿问题。假设在导通控制脉冲作用下，其他各级的IGBT都正常导通，而第二级单元中的IGBT没有正常导通(如图6(a)所示)，则从图6可以看出，此时二极管D2-1将会导通，将第二级直接跨接短路，此时第二级IGBT两端电压仍保持为U，不会发生过压造成击穿，完成了电压钳制作用。这个过程如图6所示。

1.3 电路仿真验证

利用Orcad以8级电路为例进行仿真分析。在Orcad中建立由8个标准级单元构成的高压脉冲电源模型，为了简便起见，用理想的压控开关替代IGBT。图7为在Orcad中建立的高压脉冲电源模型。

理想压控开关的驱动信号脉宽为5 μs，周期为10 ms，脉冲电压的幅值与理想压控开关的导通电压一致。变压器二次侧线电压为1 250 V，储能电容值为10 μF，回路中的限流电感值为180 mH。图8为电源输出的电压波形全貌。

图6 电源电压钳制原理图
Fig.6 Voltage clamping circuit

图7 高压脉冲电源电路仿真原理图
Fig.7 High voltage pulse power circuit simulation circuit

图8 高压脉冲电源输出电压仿真波形
Fig.8 Simulation waveform of output voltage of high voltage pulse power supply

通过图8可以看出，输出高压脉冲波形近似方波，而且具有较快的上升沿与下降沿，完全能够满足高压脉冲电场灭菌处理的要求。

为了对这种高压脉冲电源中的IGBT非正常工作状态下的保护效果有更深刻的理解，对2种特殊情况进行仿真，从而验证这种新型高压脉冲电源的电压钳制特性。

第1种情况：假设当除S2外的其他所有IGBT均由关闭状态转换为导通状态，唯独S2由于故障未能正常导通。仿真得到的S2上的电压情况如图9所示，选取S1与其对比。可见S2上的电压并未有明显变化，仍然保持为充电电压。

图9 开关延迟导通情况下的电压波形
Fig.9 Voltage waveform when switching on delay

第2种情况：当其他开关均保持开通状态时，S8由于故障提前关闭，S8上的电压情况如图10所示，选取S1与其对比。可见S8上并没有出现过电压。

图10 开关提前导通情况下的电压波形
Fig.10 Voltage waveform when switching on ahead of time

通过对2种特殊情况的分析，可以看出此电路的电压钳制效果，有效地解决了串联固态开关对控制信号一致性的苛刻要求，避免了由于开关同步性不一致而造成的IGBT过压进而连锁击穿的现象。

2 脉冲电源主要元件参数选择

2.1 主电路元件选择

储能电容的作用是储存电能，其取值直接影响输出电压的波形。分别对每级储能电容为2、5和10μF时的输出脉冲波形进行了仿真。仿真结果如图11所示。

图11 不同储能电容情况下的输出电压波形对比
Fig.11 Comparison of output voltage waveforms under different energy storage capacitors

通过仿真对比发现，随着储能电容容量的增大，输出脉冲波形的波顶越来越平缓。当储能电容为10 μF时，输出电压波形能满足高压脉冲电场灭菌的需求，因此选取的储能电容容量为10 μF。变压器二次侧电压线电压为1 250 V，可得加在储能电容两端电压为1 768 V，储能电容的耐压值应高于充电电压。因此选用4个耐压为4 000 V，容量为2.5 μF的金属薄膜电容并联组成每个标准级单元的储能电容。

对于电路中的二极管，其反向重复峰值电压应大于加在二极管上的反向电压。因此选择快速二极管ZK800作为级标准单元的二极管，其参数见表1。

表1 ZK800参数
Table 1 Parameters of ZK800

当电路中限流电感为180 mH时，电路中的电流情况如图12所示。

图12 电路电流仿真波形
Fig.12 Simulation waveform of output current

可见180 mH的限流电感可以有效限制整个电路中的电流，利用Orcad软件可以计算得到电路中的平均电流为1.5 A。考虑到平均电流的大小，选定线径为1.18 mm的漆包线制作限流电感，采用多级电感单元串联的方式实现大电感。首先绕制小型电感作为大电感的基本单元，之后将3个小电感作为1组，并在每组电感的骨架中安装棒状磁芯，最后将多组电感串联制成满足感值需求的大电感。为了保证电感线圈的层间绝缘，在每层线圈之间都缠上绝缘胶带，并且将磁芯放入环氧棒中，在每段磁芯之间都加入了绝缘块进行隔离以保证磁芯间的绝缘。在每组电感之间也加入了用尼龙66制成的绝缘环。

IGBT的选择应该从额定电压和电流两方面进行。IGBT的额定电压一般应高于直流母线的2倍，IGBT在工作时要求在1 min内承受1.5倍的过流。直流母线上的电压前文可以计算。而IGBT的电流应该根据负载的输出电流要求进行选择。因此选用ABB公司生产的5SNE0800E330100型IGBT作为每级标准单元的固态开关，其额定电压为3 300 V，额定电流为800 A，完全可以满足要求。

2.2 控制电路研制

控制信号的实现方法是多种多样的，如单片机、DSP和FPGA等。在这些方法中FPGA对于信号的时序控制性最好，而且程序并行运行速度更快。因此选择使用FPGA作为控制信号的发生器。

所用FPGA内部含有40 MHz的晶振电路，此电路产生的脉冲频率精确度高，稳定性好，选取其作为基准脉冲的内触发源。通过对基准脉冲进行分频处理、占空比调节，以获得满足要求的控制信号。

本文制作的高压脉冲电源由8个标准级单元组成，对每一级信号都需要进行单独控制，以提高装置的可控性。为此，设计了一块控制信号分配板，用以将FPGA产生的控制信号多路分配，达到每一路独立控制的效果。此分配板具有8路输出端口，每一级的控制信号有1个端口输出。

2.3 IGBT的驱动

由于IGBT工作时处于很高的对地电位上，控制电路与之相比近似可看为地电位。驱动电路作为连接IGBT与控制电路之间的电路，能否有效的实现控制电路与主电路的电气隔离，直接关系到整个电源的可靠性。因此，在选择驱动电路之前首先需要选择一种抗干扰能力强的信号通道。

常用的电气隔离分为以下几种：脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合隔离法、光纤隔离法等。在众多的隔离方法之中，光纤隔离凭借着传输速度快，隔离电压等级高，波形畸变小等特点被广泛使用。因此本文选用光纤进行控制信号与驱动电路之间的传输。选用落木源公司的TX-JKDF1型光电转换板进行光电信号的转化。

IGBT驱动电路的实现形式分为两大类：通过分立原件制作的驱动电路和专用驱动电路。前者设计复杂，信号的同步性也不容易保证。实用化的高压脉冲电源应尽可能设计简单、可靠性高、体积小。因此新型高压脉冲电源的驱动电路选择专用驱动电路实现。根据选定的IGBT型号，选择由Concept公司生产的1SD536F2作为IGBT的驱动电路。此驱动电路的特性如下：

1)此驱动电路能供提供正负15 V的门极驱动电压；

2)控制信号采用光纤传输并且内部有DC/DC转换器为驱动电路提供驱动电源，实现了良好的电气隔离；

3)驱动电路有欠压保护功能；

4)先进的有源钳位功能；

5)具有供电电源检测以及自检测能力。

为了确保IGBT驱动电路的可靠性，祛除电源间的干扰，为8个标准单元的驱动电路分别提供了独立的供电电源。首先，220 V交流电经过特制的级电源变压器变为幅值为15 V的交流电，再通过由D1N4007组成的整流电路整流，之后通过电容进行滤波，得到的直流电压通过7815芯片进行稳压，为驱动电路提供稳定的15 V直流电压。图13为级电源电路原理图。

为了降低每级变压器的初级线圈与铁心的绝缘强度要求和次级线圈与铁心之间的绝缘强度要求，使用了2个分压电容器对铁心提供固定电位。这种结构在降低器件绝缘强度要求的同时，也达到了为铁心固定电位的目的。

图13 级电源电路原理图
Fig.13 Level power supply circuit

3 样机搭建及调试

基于以上的设计方案以及器件选型，搭建了1个由8个级标准单元组成的高压脉冲电场灭菌电源。同时为了减少IGBT工作时的温升，每个IGBT均配置了散热片。为了减小高压脉冲电源的体积，将每个标准级单元器件均安装在1个环氧板上，之后使用丝杆，尼龙棒将8个标准级单元叠加起来，从而完成电源系统的制作。图14为新型高压脉冲电场灭菌的实物图。

图14 试验样机实物图
Fig.14 Experimental prototype

实验时，三相交流电经调压器调节后进入变压器升压，之后经过三相整流桥进行全桥整流，产生的直流电压对各级标准单元中的储能电容进行充电。通过控制各级IGBT的开断，在负载上得到高压脉冲方波。负载为4个被釉线绕电阻器并联组成的150 Ω电阻。为了能够使新型电源更能满足工业化需求，提升处理量。本文将高压脉冲的频率设定为1 000 Hz，脉宽为10 μs。高压信号使用泰克P6015A探头进行提取。在负载上得到的脉冲波形如图15所示，其脉冲上升沿小于1 μs。

图15 负载脉冲波形
Fig.15 Output waveform of load

另外通过改变程序使其中的一级开关延迟动作的相关补充实验，测得输出电压会由原来的3 000 V下降至约2 600 V，下降的幅值正好为一个标准级单元的400 V储能充电电压，这也验证了该脉冲电源具有良好的电压钳制功能。

4 结 论

本文通过对传统Marx高压脉冲发生器的结构进行改造，设计了一种新型的适合高压脉冲电场灭菌的高压脉冲电源。此电源由8个标准级单元叠加组成，可以通过较低的电压获得较高幅值的脉冲电压，并且具有良好的电压钳制能力，从根本上解决了串联固态开关开通一致性要求过于严苛的问题，大大提升了电源的安全性。整套电源使用FPGA产生基准控制脉冲，采取光纤隔离技术进行隔离，使驱动电路与控制电路之间隔离电压大大提升。实验结果表明，此种电源具有脉冲上升沿陡峭、波形平顶度好、电压钳位等优点，并且其自身良好的经济性也有助于在工业用途上的推广。