基于波傳輸網(wǎng)絡(luò)的高壓脈沖電源開發(fā)

韓其國，徐 平，楊 勇，劉珂舟

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

（杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

高壓脈沖電場（Pulse Electric Fields, PEF）是一種非熱滅菌技術(shù)，具有滅菌時(shí)間短、溫升小、能耗低和滅菌效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。高壓脈沖電場滅菌技術(shù)主要由高壓脈沖電源和滅菌室構(gòu)成，其中，高壓脈沖電源是系統(tǒng)的核心部分。但目前的高壓脈沖電源技術(shù)大多停留在實(shí)驗(yàn)室水平上，或采用俄亥俄州立大學(xué)食品系(簡稱OSU) 的高壓脈沖電場調(diào)制器系統(tǒng)。為了使該技術(shù)能夠進(jìn)一步走向產(chǎn)業(yè)化，本文提出新的基于波傳輸網(wǎng)絡(luò)原理的高壓脈沖電源，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出高壓脈沖的電壓、脈寬、頻率和脈沖數(shù)等參數(shù)的精確控制，輸出電壓50-100kV可調(diào)，脈沖寬度1us-10us可調(diào)，頻率1-100Hz 可調(diào)，輸出方波，以適應(yīng)300x300mm極板的電場，在極板間距在2cm～10cm之間平行可調(diào)的情況下實(shí)現(xiàn)多種電場強(qiáng)度滿足滅菌試驗(yàn)的各種要求。

1 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

圖1 高壓脈沖產(chǎn)生電路

系統(tǒng)利用波傳輸過程原理，設(shè)計(jì)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生高壓脈沖，再通過脈沖變壓器升壓使輸出電壓值達(dá)到要求，所設(shè)計(jì)的電路如圖1所示。工作過程如下：由直流高壓電源給電容器C1～C34充電至設(shè)定值，再控制開關(guān)SW1和SW2在不同時(shí)刻導(dǎo)通，在脈沖變壓器T1的初級產(chǎn)生一個(gè)方波脈沖，通過脈沖變壓器升壓后，在負(fù)載C35上產(chǎn)生一個(gè)高壓方波脈沖。調(diào)節(jié)電容器C1～C34上的初始電壓值，可以改變負(fù)載上的脈沖電壓值。改變開關(guān)SW1和SW2的導(dǎo)通時(shí)刻，可以改變負(fù)載上的脈沖寬度。

在設(shè)計(jì)中，電容器C1～C34充電電壓值為5kV～10kV，對應(yīng)負(fù)載上脈沖輸出電壓值為50kV～100kV。改變開關(guān)SW1和SW2的導(dǎo)通時(shí)刻，可使加在負(fù)載上的脈沖寬度在1μs～10μs之間變化。開關(guān)SW1和SW2采用氫閘流管。脈沖變壓器T1的變比為1：10。硅堆D1的脈沖電流大于200A，耐壓大于30kV。

2 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能源系統(tǒng)用于提供系統(tǒng)的直流高壓電源，提供給電容器C1～C34充電，電路原理如圖2所示。

緩啟動(dòng)電路：一種采用可控硅調(diào)壓的方式來實(shí)現(xiàn)緩啟動(dòng)；

調(diào)壓器：采用自耦變壓器調(diào)壓；

高壓變壓器：輸入單相交流220V，輸出交流4.5kV；

整流橋：采用單相全波整流，整流用高壓硅堆采用耐壓15kV，電流2A的高壓硅堆；

限流電阻：限流電阻主要起保護(hù)作用；

儲能電容器：電容值為2μF，電容的工作電壓6kV；

直流分壓器：直流分壓器采用電阻分壓原理，用10MΩ電阻和10kΩ電阻串聯(lián)而成。分壓比為1000：1。當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí)，直流分壓器還充當(dāng)儲能電容器上能量泄放電阻的作用(時(shí)間常數(shù)為20s)。

圖2 能源系統(tǒng)原理框圖

3 控制及顯示電路

能源系統(tǒng)中的控制及顯示電路如圖3所示。在本系統(tǒng)中控制器采用工控機(jī)，通過模擬量和數(shù)字量的輸入輸出板卡來實(shí)現(xiàn)信號的輸入輸出。

其中，模擬量輸入是指直流高壓信號；鍵盤設(shè)置主要設(shè)置輸出脈沖的寬度、頻率、輸出脈沖數(shù)和工作時(shí)間等參數(shù)；顯示電路主要顯示直流高壓、輸出脈沖的寬度、頻率、輸出脈沖數(shù)和工作時(shí)間等；開關(guān)量輸入只是作為面板開關(guān)之間互鎖用；開關(guān)量輸出用于系統(tǒng)的起停、部分弱電電路的供電和一些保護(hù)開關(guān)的控制；氫閘流管1觸發(fā)信號和氫閘流管2觸發(fā)信號都是脈沖信號，這兩個(gè)脈沖信號頻率、脈沖數(shù)和兩個(gè)脈沖信號之間的延時(shí)可以通過控制器進(jìn)行設(shè)置。

圖3 控制及顯示電路原理框圖

本系統(tǒng)需要測量的信號主要有直流高壓信號和高壓脈沖信號。直流高壓信號通過電阻分壓器后，進(jìn)行信號隔離轉(zhuǎn)化，輸入控制器，進(jìn)行顯示。高壓脈沖信號通過脈沖分壓器后，輸入給示波器，進(jìn)行觀測。脈沖分壓器可采用電阻分壓器或阻容分壓器。

4 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)電容充電電路設(shè)計(jì)

脈沖形成網(wǎng)絡(luò)電容充電電路原理如圖4所示，充電方式采用L-C諧振充電。圖中C36為能庫電容，C36由能源系統(tǒng)充電。D2為高壓硅堆。L37為諧振電感。L38、L39和SW3表示磁開關(guān)。

圖4 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)電容充電電路原理

工作過程如下：能庫電容C36通過高壓硅堆D2、諧振電感L37和磁開關(guān)給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)電容C1～C34充電。C1～C34的電壓值達(dá)到約1.8倍能庫電容C36電壓值時(shí)，充電結(jié)束，經(jīng)過一定時(shí)間，磁開關(guān)反向飽和，此時(shí)開關(guān)SW1和SW2分別導(dǎo)通，在負(fù)載上產(chǎn)生所需的高壓脈沖，單次高壓脈沖產(chǎn)生完成，重復(fù)頻率工作時(shí)就不停的重復(fù)上述過程。

5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)高壓脈沖電場為一平行極板300x300mm，極板間距在2cm～10cm之間，上下平行可調(diào)。

圖5為輸出電壓100KV、輸出脈寬10μs的輸出波形電壓和脈寬的模擬輸出波形，從該結(jié)果可以看出，系統(tǒng)可有效地滿足高壓脈沖電源的輸出要求。

6 結(jié)束語

本文提出了一種新的基于波傳輸網(wǎng)絡(luò)的高壓脈沖電源，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高壓脈沖，由工控機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可精確控制輸出脈沖的電壓、輸出脈沖的寬度、頻率和輸出脈沖數(shù)等，工作電壓可達(dá)100kV，可以滿足高壓脈沖電場滅菌系統(tǒng)的需要。

圖5 輸出波形

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