脈沖電場滅菌用固態(tài)高壓開關(guān)的研制

魏新勞，　丁廈，2，　石丹丹，2，　邢雁凱

(1.工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點實驗室 哈爾濱理工大學(xué) ，黑龍江 哈爾濱 150080；2.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250000)

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脈沖電場滅菌用固態(tài)高壓開關(guān)的研制

魏新勞1，丁廈1，2，石丹丹1，2，邢雁凱1

(1.工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點實驗室 哈爾濱理工大學(xué) ，黑龍江 哈爾濱 150080；2.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250000)

摘要:針對脈沖電場滅菌技術(shù)對開關(guān)性能的特殊要求，提出了利用IGBT串聯(lián)構(gòu)成高壓、大容量固態(tài)開關(guān)的技術(shù)。設(shè)計并實際制造出了可供高壓脈沖電場滅菌用額定電壓10 kV的固態(tài)高壓開關(guān)。該開關(guān)采用8個1 700 V、400 A的IGBT串聯(lián)，以柵極動態(tài)RCD為基本均壓方式，以FPGA為主控單元，產(chǎn)生8路相對獨立的基準控制脈沖，其脈寬、周期、延時均可調(diào)節(jié)，且以25 ns為步進調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)各路驅(qū)動信號的相對延時，使各單元分壓均勻，消除過壓影響，從而在負載端得到較為理想的方波脈沖。采用光纖隔離，使隔離電壓不受限制。實驗結(jié)果表明，該裝置性能良好，可以滿足脈沖電場滅菌的實際需求。

關(guān)鍵詞:脈沖電場；IGBT串聯(lián)；固態(tài)高壓開關(guān)；動態(tài)均壓；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)

0引言

食品殺菌(滅菌)技術(shù)是食品工業(yè)的核心技術(shù)之一，常用的食品殺菌技術(shù)主要分為兩大類：熱殺菌技術(shù)和非熱殺菌技術(shù)。

熱殺菌是通過使微生物的酶和結(jié)構(gòu)蛋白被破壞，細胞膜損傷，核酸解鏈崩解，最終死亡。熱殺菌技術(shù)包括巴氏殺菌、短時超高溫殺菌、高溫殺菌、歐姆加熱殺菌、微波殺菌等，被廣泛應(yīng)用的是巴氏殺菌技術(shù)[1-2]。

因為食品在熱力作用下會導(dǎo)致其碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、維生素、酶等成分受到不同程度的影響，熱殺菌技術(shù)在殺滅細菌的同時，會由于熱作用而改變食品的口感、營養(yǎng)特性等，從而改變食品的天然特性。另外，由于熱殺菌將整個需要做殺菌處理的物體都加熱到足以使細菌滅活的溫度，而不是僅僅將細菌加熱到使其滅活的溫度，這就需要消耗大量的能量。因此，從能量消耗的角度看，熱殺菌技術(shù)的能量利用率是很低的。因此，在食品加工行業(yè)，對食品殺菌新技術(shù)的研究一直是非常重要的、同時也是比較活躍的研究方向。

非熱殺菌技術(shù)是在不改變被處理液體食品溫度或者溫度變化比較小的情況下，利用熱力之外的其他物理或化學(xué)手段使微生物被殺滅的技術(shù)。目前，在食品殺菌領(lǐng)域中研究的主要非熱殺菌技術(shù)有化學(xué)藥物殺菌、超高壓力殺菌、電離輻射殺菌、紫外線殺菌、超聲波殺菌、過濾除菌、脈沖強光殺菌、脈沖磁場殺菌、高壓脈沖電場殺菌等。其中，高壓脈沖電場殺菌技術(shù)在食品非熱殺菌，特別是液體食品非熱殺菌方面得到了廣泛研究[3-5]。

脈沖電場滅菌裝置在脈沖電場滅菌研究和應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用，也是脈沖電場滅菌技術(shù)研究的重點。脈沖電場滅菌裝置主要包括高壓脈沖發(fā)生電路、處理腔、測量裝置以及被處理液體食品儲存、輸送裝置。其中關(guān)鍵的是高壓脈沖發(fā)生器和處理腔[6]。就高壓脈沖發(fā)生器而言，要求其可以提供滅菌所需要特性參數(shù)(波形、頻率、幅值、脈寬、極性)的脈沖電壓，這里的關(guān)鍵是高壓脈沖開關(guān)。目前，高壓脈沖開關(guān)的實現(xiàn)主要有兩種方案：一種是采用旋轉(zhuǎn)電極間隙或點火球隙作為開關(guān)，其優(yōu)點是開關(guān)不易損壞，而且不需要太多的外圍器件，電路的造價較低，缺點是不可關(guān)斷，因此不能產(chǎn)生方波脈沖，而且，從能耗角度看工作效率比較低。另一種是采用可關(guān)斷的電子器件作為開關(guān)，稱為固態(tài)開關(guān)(solid-state switch)。固態(tài)開關(guān)也用來專指單個或經(jīng)多個半導(dǎo)體功率器件串并聯(lián)后的固體半導(dǎo)體開關(guān)。

在大功率高壓電力電子器件中，IGBT具有MOSFET的快速通斷和電力晶體管大電流耐壓高的雙重優(yōu)點，使其應(yīng)用極為廣泛。然而在大功率高電壓的場合下，單個IGBT作為線路開關(guān)難以達到要求，將耐壓等級較低的幾個IGBT進行串聯(lián)能有效解決耐壓低的缺陷，且成本較低。但是由于IGBT所固有的特點，其串聯(lián)應(yīng)用有許多技術(shù)問題需要解決，因此IGBT的串聯(lián)技術(shù)受到廣泛關(guān)注[7-10]。

實現(xiàn)IGBT串聯(lián)的關(guān)鍵在于要確保所有IGBT在開通和關(guān)斷時的同步性。然而，由于IGBT自身動態(tài)特性差異及各IGBT的驅(qū)動電路性能無法保證完全一致，使得串聯(lián)應(yīng)用時各IGBT在開通和關(guān)斷的時間上有一定差異。正是由于這種在開通和關(guān)斷時間上的差異，導(dǎo)致在開通或關(guān)閉的過程中，串聯(lián)連接的各IGBT上所承擔的電壓不均勻，容易導(dǎo)致承擔電壓過高的IGBT擊穿，并進而引起其它IGBT相繼擊穿，為了防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，在開通或關(guān)閉的過程對IGBT串進行均壓是實現(xiàn)IGBT串聯(lián)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵之一。把這種在開通或關(guān)閉的過程對IGBT串進行的均壓稱為動態(tài)均壓。

由于各個IGBT管泄漏電流參數(shù)的差異，在IGBT處于截止狀態(tài)時，串聯(lián)連接的IGBT串中各個IGBT上的電壓分布也是不均勻的，這種不均勻同樣也會導(dǎo)致承擔電壓過高的IGBT擊穿，并進而引起其它IGBT相繼擊穿，為了防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，在關(guān)閉的狀態(tài)下對IGBT串進行均壓也是實現(xiàn)IGBT串聯(lián)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵之一。把這種在關(guān)閉狀態(tài)下對IGBT串進行的均壓稱為靜態(tài)均壓[11-12]。

從技術(shù)難易程度看，動態(tài)均壓要比靜態(tài)均壓的技術(shù)難度高。應(yīng)此，關(guān)于IGBT串聯(lián)技術(shù)的研究絕大多數(shù)都集中在對動態(tài)均壓技術(shù)的研究，也就是主要研究如何保證每個IGBT的開通和關(guān)斷時間一致。

本文在目前應(yīng)用較廣的柵極動態(tài)RCD均壓電路的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)對整個IGBT串聯(lián)串中的每個IGBT管的工作過程進行獨立控制，以期使整個IGBT串的工作狀態(tài)達到比較理想的狀態(tài)。通過VHDL編程，由FPGA產(chǎn)生脈寬、周期、延時均可相對獨立調(diào)節(jié)的8路控制信號，用于對串聯(lián)連接的8個IGBT進行控制，通過調(diào)節(jié)各個IGBT控制信號的延時，可以最大限度使所有IGBT管的關(guān)斷、開通接近于同步，把這種方法稱為相對延時法。采用光纖隔離，使驅(qū)動與控制電路之間隔離電壓不受限制。通過柵極動態(tài)RCD均壓電路及相對延時法的使用，制作出了各單元分壓均勻且負載端波形良好的固態(tài)高壓開關(guān)，為后續(xù)研究提出了可靠的理論及實驗依據(jù)。

1柵極動態(tài)RCD均壓技術(shù)

1.1均壓電路原理及參數(shù)選擇

圖1為串聯(lián)IGBT的柵極動態(tài)RCD均壓電路原理示意圖。圖中的R1，R2為靜態(tài)均壓電阻；C1、C2、D1和Rg組成動態(tài)均壓電路。TVS為雙向瞬態(tài)電壓抑制器，保護IGBT柵極不受過壓影響。V1為驅(qū)動信號。

當某個IGBT器件承受過電壓時，RCD電路將產(chǎn)生附加的門極驅(qū)動電流注入到該IGBT的門極，動態(tài)調(diào)整IGBT器件的開關(guān)過程，抑制串聯(lián)組件運行時出現(xiàn)的分壓不均衡現(xiàn)象[13-15]。

圖1　柵極動態(tài)RCD電路示意圖Fig.1　Circuit schematic of gate dynamic RCD

要使均壓電路能夠很好的發(fā)揮作用，需要對電路中元件的參數(shù)進行全面的設(shè)計。設(shè)計每個電路元件參數(shù)，一方面要考慮器件所能承受的電壓，另一方面要考慮均壓電路帶來的功率損耗，必須在二者之間進行折中考慮。參數(shù)的基本要求為C1>>C2,R1>>R2。

靜態(tài)均壓電阻的選擇應(yīng)同時考慮IGBT的漏電流和開關(guān)損耗。為確保靜態(tài)均壓，通過電阻的電流應(yīng)至少為IGBT漏電流的10倍，即R1+R2

1.2均壓電路仿真分析

根據(jù)以上參數(shù)的確定及元器件的選擇，在ORCAD中搭建八單元IGBT串聯(lián)仿真電路進行分析。為了分析各IGBT動作不一致時各單元電壓分布情況，將各單元驅(qū)動信號加以不同延時，分別為0 ns，50 ns,100 ns，150 ns,200 ns，250 ns,300 ns,350 ns。仿真示意圖如圖2所示。

圖2　八單元IGBT串聯(lián)仿真示意圖Fig.2　Simulation schematic of eight IGBTs series　　　 connection

圖2中，R0為保護電阻，Rx和Cx為負載的等效電阻和等效電容。分別對無均壓電路及有均壓電路時各單元IGBT的開通及關(guān)斷瞬間電壓波形進行對比，無均壓時波形如圖3所示，有均壓電路時如圖4所示。

在圖3及圖4中，V1～V8分別代表八單元IGBT串聯(lián)系統(tǒng)中各單元在開斷瞬間的電壓波形。通過圖3、圖4比較發(fā)現(xiàn)，均壓電路起到了明顯的效果。在無均壓的電路中，在IGBT開通瞬間出現(xiàn)了明顯的過電壓，且驅(qū)動信號的相對延時越長，過壓值越大。而在有均壓的串聯(lián)電路中，各單元分壓基本均等，沒有出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，證明了均壓電路的有效性及參數(shù)選擇的合理性。

圖4　有均壓各單元開斷瞬間波形Fig.4　Turn-on and turn-off transient waveform of　　　 each unit with voltage-balancing

2控制電路及相對延時的設(shè)定

2.1控制信號的提供

傳統(tǒng)的控制信號多由信號源和分離元件的模擬電路組成，存在精度低、可調(diào)性差、長時間穩(wěn)定性差和易受干擾等缺點。為了實現(xiàn)高精度和高可靠性的控制效果，設(shè)計了一種基于FPGA的多路可調(diào)IGBT控制系統(tǒng)，其多路控制信號的脈寬、周期、相對延時均可獨立調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)步進為25 ns。

FPGA選用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N。它拓展了前一代Cyclone IIIFPGA的低功耗優(yōu)勢，降低了內(nèi)核電壓，總功耗降低了25%。電路設(shè)計了AS和JTAG兩種配置方式，在調(diào)試過程中，采用JTAG方式進行調(diào)試。當調(diào)試成功后，采用AS方式將程序固化到外圍存儲芯片，每次開機上電后，控制程序?qū)⒆詣舆\行[17-18]。

在Quartus II軟件下進行編程，編程語言采用VHDL。應(yīng)用Modelsim進行程序的仿真驗證。基于FPGA的控制系統(tǒng)主要由分頻電路、脈寬調(diào)節(jié)、周期調(diào)節(jié)、占空比調(diào)節(jié)、延時調(diào)節(jié)等部分組成。本文基準信號脈寬為10 μs，頻率為500 Hz。基準控制信號如圖5所示。

2.2相對延時的測定與調(diào)節(jié)

在IGBT串聯(lián)技術(shù)中，各單元分壓不均衡主要是由各單元驅(qū)動信號無法完全同步和各個受控IGBT開關(guān)參數(shù)分散性所導(dǎo)致的。提出一種基于FPGA控制各路信號相對延時的方法，調(diào)節(jié)各單元之間初始信號的相對延時，從而使驅(qū)動信號達到同步，進而使均壓問題得到解決。例如圖6所示，通過示波器觀察可知，兩路IGBT驅(qū)動信號之間相差約為200 ns，這就導(dǎo)致其分壓不均，先關(guān)斷的承受高壓。

圖5　基準控制信號波形Fig.5　Waveform of the inference control signal

圖6　兩路驅(qū)動信號不同步的IGBT關(guān)斷瞬間波形Fig.6　Turn-off transient waveform of two IGBTS that　　　 driving signals are not synchronized

在測得雙路驅(qū)動信號相對時間差后，可利用FPGA對其相應(yīng)基準控制信號進行延時處理，從而使雙路信號在驅(qū)動端達到同步，進而實現(xiàn)分壓均衡。在本例中，對先關(guān)斷的IGBT初始控制信號延時200 ns,調(diào)整后雙路控制信號如圖7所示。

圖7　相對延時200 ns雙路控制信號Fig.7　Relative delay of 200 ns dual control signals

經(jīng)初始控制信號延時調(diào)整后，兩路IGBT關(guān)斷瞬間波形如圖8所示。從圖中可以看出，此時兩路IGBT關(guān)斷瞬間波形近乎完全重合，即分壓非常均勻，證明了相對延時法的合理性及適用性。

圖8　兩路經(jīng)相對延時調(diào)整后IGBT關(guān)斷瞬間波形Fig.8　Turn-off transient waveform of two IGBTS　　　that driving signals are relatively delay　　　adjustment

3驅(qū)動電路與隔離途徑的選擇

3.1驅(qū)動電路與隔離方式

為了使IGBT串聯(lián)系統(tǒng)分壓均勻且工作可靠穩(wěn)定，驅(qū)動部分的選擇尤為重要。由于高壓開關(guān)系統(tǒng)工作過程中，各單元IGBT均處于很高的對地電位上，因此驅(qū)動電路也處于很高的對地電位。而控制電路處于很低的電位(一般可以認為是地電位)，這就要求在控制電路與驅(qū)動電路之間有一個能夠承受很高電位差的信號傳輸通道，即隔離傳輸通道[19]。

目前常用的隔離傳輸方式有光耦隔離、脈沖變壓器隔離及光纖隔離。其中光纖隔離具有抑制波形畸變、減緩信號延遲、隔離電壓不受限制等優(yōu)點，因此選擇使用光纖隔離。

根據(jù)以上分析，選擇落木源公司生產(chǎn)的TX-DF102作為驅(qū)動板，與其他專用集成驅(qū)動芯片相比，它具有以下幾個特點：

1)光纖連接輸入信號，控制電路與驅(qū)動電路間隔離電壓不受限制；

2)三段式完善的過電流保護功能，先降柵壓、再延遲判斷、確實短路時實行軟關(guān)斷，并封鎖輸入信號以執(zhí)行一個完整的保護周期；

3)保護報警光纖輸出，同時故障指示燈顯示；

4)自帶DC/DC輔助電源，隔離電壓高達15 kV；

5)輸入電源極性保護、輸入電壓過、欠壓保護。

自帶光纖驅(qū)動器接口板TX-JKDF1，實現(xiàn)光、電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，用以連接控制電路及驅(qū)動電路。經(jīng)光纖隔離傳輸后的驅(qū)動信號如圖9所示。

3.2驅(qū)動電源的提供

為了提高驅(qū)動芯片工作的可靠性，防止電源之間的相互干擾影響IGBT驅(qū)動芯片的工作，每一路驅(qū)動芯片都配備有獨立的工作電源，共8路相同的電源。每路電源提供兩個獨立的+15 V直流電，分別供給該單元驅(qū)動板TX-DF102及接口板TX-JKDF1。一路電源示意圖如圖10所示。

圖9　光纖隔離傳輸后的驅(qū)動信號Fig.9　Driving signal after optical fiber isolation　　　 transmission

圖10 　一路電源示意圖Fig.10　Schematic of one power supply

圖10中220 V市電首先經(jīng)電路板焊接型變壓器降壓，再經(jīng)過二極管整流橋整流，最后通過電解電容和瓷片電容濾去高頻和低頻噪聲，這樣就形成了能提供給穩(wěn)壓芯片所需的直流工作電壓。該直流電壓再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片7815，從而得到穩(wěn)定的+15 V直流電。

4實驗結(jié)果分析

基于以上實驗方案的設(shè)計及設(shè)備的選型，搭建了由8只IGBT串聯(lián)組成的固態(tài)高壓開關(guān)。IGBT模塊選擇英飛凌公司的FZ400R17KE4(1 700 V/400 A)。一單元IGBT實物圖如圖11所示。圖12為固態(tài)高壓開關(guān)整體實物連接圖。

實驗主電路采用電容儲能形式。220 V交流市電經(jīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸出電壓，然后輸入升壓變壓器，經(jīng)整流及濾波后，產(chǎn)生穩(wěn)定直流電，對電容器進行充電。通過控制固態(tài)高壓開關(guān)的開斷，在負載端得到方波脈沖。負載為采用同軸圓柱電極的脈沖電場滅菌處理室(內(nèi)裝自來水)[20]。主電路原理電路圖如圖13所示。

圖11　一單元IGBT實物連接圖Fig.11　A unit of IGBT physical connection diagram

圖13　主電路原理圖Fig.13　Schematic of the main circuit

為了驗證本文設(shè)計方案的有效性及適用性，采用了對照實驗。第一組試驗中開關(guān)不加均壓電路和相對延時控制，第二組試驗中開關(guān)則加入了均壓電路和相對延時控制。比較兩組實驗波形，從而分析本文設(shè)計方案的性能。高壓信號的測量提取采用高壓探頭，其型號為泰克P6015A。

無均壓電路和相對延時控制的8單元IGBT集電極、發(fā)射極間波形如圖14所示，負載端波形如圖15所示。

圖14　無均壓無相對延時各IGBT集-射極電壓波形Fig.14　The collect-emitter voltage waveform of every　　　IGBT without voltage-balancing and relative　　　 delay

從圖14、15可以看出，在無均壓電路和相對延時控制的情況下，各單元IGBT的電壓分配極不均勻，電壓幅值及平均值相差均很大，波形有明顯畸變，導(dǎo)致負載端波形也出現(xiàn)明顯尖峰，此時，如若主電路電壓繼續(xù)增大，極易損壞IGBT及其他保護元件。

圖15　無均壓無相對延時負載波形Fig.15　Waveform of the load without voltage-balancing　　　 and relative delay

有均壓電路且有相對延時控制的8單元IGBT集-射極間波形如圖16所示。

圖16　有均壓有相對延時各IGBT集-射極電壓波形Fig.16　The collect-emitter voltage waveform of every　　　IGBT with voltage-balancing and relative　　　delay

從圖16可以看出，在有均壓電路和相對延時控制的情況下，各單元IGBT的電壓分配比較均勻，電壓幅值及平均值近乎相等，波形比較理想。此時，將負載端電壓升高到10 kV，負載波形如圖17所示。可以發(fā)現(xiàn)在高壓10 kV情況下，負載波形依然比較理想(波頂部分的下降是由于主電路電容器的電容量比較小，在其對負載進行的10 μs的放電時間內(nèi)電容器本身電壓下降所致)，沒有出現(xiàn)電壓尖峰。因此證明了本實驗設(shè)計方案的有效性及適用性。

圖17　有均壓有相對延時負載波形(10 kV)Fig.17　Waveform of the load with voltage-balancing　　　 and relative delay (10 kV)

5結(jié)論

本文采用8只1 700 V的IGBT串聯(lián)，設(shè)計并制造出能承受10 kV方波脈沖電壓的固態(tài)高壓開關(guān)。該開關(guān)以柵極動態(tài)RCD為基本均壓方式，以FPGA為主控單元，產(chǎn)生8路相對獨立的基準控制脈沖，且其脈寬、周期、延時均可調(diào)節(jié)。隔離方式采用光纖隔離，使驅(qū)動電路與控制電路間隔離電壓不受限制。實驗結(jié)果表明，該固態(tài)高壓開關(guān)各單元分壓均勻且負載端波形良好，可以作為高壓、大功率(如脈沖電場滅菌)等場合使用的高壓脈沖開關(guān)。

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(編輯：劉琳琳)

Development of solid-state high voltage switch for high-voltage pulsed electric field sterilization

WEI Xin-lao1，DING Sha1，2，SHI Dan-dan1，2，XING Yan-kai1

(1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application，MOE，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China; 2.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250000，China)

Abstract:Aiming at the special requirements of pulsed electric field sterilization technology to the performance of the switch,the technology that constitutes the solid-state switch of high voltage and large capacity by using IGBT series connection was presented. The solid-state high voltage switch for high-voltage pulsed electric field sterilization was designed and actually manufactured,and its rated voltage is 10 kV.Eight 1700 V、400 A IGBTs series connection was adopted in the switch and gate dynamic RCD was taken as the basic voltage-balancing way.FPGA was used as the main control unit,which generates eight relatively independent of the inference control pulses,and its pulse width,cycle,delay time can all be adjusted. 25 ns was taken as the step adjustment. By adjusting the relative delay of each drive signal,equal voltage was got in each unit,over-voltage effects was eliminated,so as to get ideal square-wave pulse on the load side. By using optical fiber isolation,the isolation voltage is not restricted. The experimental results show that the device has good performance and meets the actual demand of high-voltage pulsed electric field sterilization.

Keywords:pulsed electric field; IGBT series connection; solid-state high voltage switch; dynamic voltage-balancing; field programmable gate array(FPGA)

收稿日期:2014-12-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51277046)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20122303110007)

作者簡介：魏新勞(1960—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為高電壓技術(shù)及應(yīng)用、高電壓與絕緣技術(shù)及電力設(shè)備絕緣檢測； 石丹丹(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)； 邢雁凱(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。

通信作者:丁廈

DOI:10.15938/j.emc.2016.07.004

中圖分類號:TM 564.8

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)07-0024-08

丁廈(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)；