脉冲电场杀菌用固态高压开关的研制

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食品杀菌(灭菌)技术是食品工业的核心技术之一,常用的食品杀菌技术主要分为两大类:热杀菌技术和非热杀菌技术。在非热杀菌技术中,脉冲电场杀菌技术具有处理时间短、能量消耗低、最大限度保持食品营养及风味、杀菌率高等优点,因此其在食品非热杀菌,特别是液体食品非热杀菌方面得到了广泛的关注和深入的研究。  高压脉冲发生器是脉冲电场灭菌装置中的关键,要求其可以提供灭菌所需要特性参数(波形、频率、幅值、脉宽、极性)的脉冲电压。目前,脉冲电场杀菌技术没有获得工业化应用,其最主要原因是常用的输出脉冲为指数衰减波,相比于方波脉冲,指数衰减波杀菌效果差、能量利用率低且易导致被处理液体出现温升。而高压方波脉冲电源对其开关具有很高的技术要求,高压开关的性能好坏直接决定脉冲的理想程度,因此对脉冲电场杀菌用高压开关的研制是十分迫切及必要的。  本文研究利用 IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 kV的固态高压开关。该开关采用8个1700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态 RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。  本文搭建了八单元 IGBT串联固态高压开关实验平台,在高压10kV下进行验证分析。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。
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