专利名称：一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源的制作方法
技术领域：
本发明属于高电压技术和生物工程、农产品加工技术领域，涉及一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源。
背景技术：
为了弥补传统热灭菌方法的不足，满足人们对食品色、香、味及营养成分的需求， 一些对食品介质温度并不升高或升高很小，并且可以迅速而有效地杀灭存在于食品中有害 微生物和节省能源的非热灭菌技术应运而生，并越来越受到更多的关注。自20世纪80年 代以来，国外对非热灭菌技术在食品工业中的应用研究进入高潮，其中包括超高压灭菌、膜 分离技术、高压脉冲电场灭菌、震荡脉冲磁场、紫外线灭菌、辐照灭菌、感应电子灭菌、臭氧 灭菌、高密度二氧化碳灭菌、生物酶灭菌等技术的研究。高压脉冲电场作为一种新兴的物理灭菌技术，脉冲电场的优良特性决定了它是一 种与以往灭菌方法不同的全新技术，主要特点为灭菌效果好、灭菌时间短、灭菌温度低、能 耗低、污染小。但目前的装置结构复杂，灭菌装置造价高。由于器件的原因，目前主要难点 是高压方波的产生。指数衰减的高压尖脉冲容易实现，但不能兼顾介质击穿、细胞膜击穿和 能量最小的非热效应；而得到容许负载参数宽范围可变、脉冲前沿在亚微秒级、十几kv、数 十kw的方波脉冲源在技术上难度较大，距离工业化还有一段距离。适用于液态食品处理系统的PEF系统脉冲电源需要具有陡峭的上升沿、下降沿和 相对稳定的脉冲平顶，且频率高、可控性好。从这些要求可知，要形成良好的高压方波脉冲， 系统中的开关器件必须有快速的开启和关断能力，能承受较高的电压和较大的电流，且控 制方便。综合这些因素，只有大功率的电力电子器件能够满足系统的要求，但目前大功率电 力电子器件的单管耐压仅为千伏级，远小于PEF食品处理技术中需求的电压，同时高压的 电子器件在负载放电过程中很难控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源，解 决现有的高压灭菌电源造价高，技术难度大的问题。本发明利用大功率电力电子开关器件 IGBT配合高精度高压脉冲变压器的技术路线，通过脉冲变压器将电力电子器件的耐压问题 转化为耐流问题，扩大脉冲电源功率并将其应用在连续式处理室中。本发明的技术方案是整个系统主要由工频升压单元、整流滤波单元、开关器件 IGBT、方波脉冲变压器、控制保护单元和去磁单元组成。220V工频电压经过升压单元连接到 整流滤波单元，通过IGBT的导通和关断输入到方波脉冲变压器，负载上得到脉冲高压；控 制保护单元与IGBT相连。也可以采取增加去磁单元(6)与方波脉冲变压器⑷相连，从而 得到较高质量的脉冲方波参数。用功率电力电子器件成型低压方波脉冲；通过大功率高精度高变比脉冲变压器升 压产生高压方波；通过施加去磁磁场解决单极性磁场的畸变；通过控制保护单元用来判断开关器件过流、负载短路，可靠保护功率器件。本发明的有益效果是得到容许负载参数宽范围可变、脉冲前沿在亚微秒级、十几kV、数十kW的方波脉冲源；大大降低成本，并可兼顾介质强度、细胞膜击穿和能量最小的非 热效应；由于液态食品作为负载，不可避免在设备中存在放电和干扰，本发明可实现设备的 自身保护。
图1是本发明的电路拓扑图。图2是控制板短路和过流保护过程示意图，表示当电路中发生短路时控制板保护 动作的过程。图中1升压单元；2整流滤波单元；3IGBT ；4方波脉冲变压器；5控制保护单元；6 去磁单元；7负载。
具体实施例方式下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。如图1所示，整个系统由升压单元1、整流滤波单元2、开关器件3、方波脉冲变压 器4、控制保护单元5和去磁单元6组成，被处理的液态食品为负载7。1脉冲电源的工作方 式首先，将220V交流电经过普通工频变压器1 一次升压，整流滤波2变为一定数值 的直流电压存贮在电容器中；然后，选用具有大电流、高耐压，高速关断特性的两个大功率 绝缘栅双极晶体管IGBT3作为并联开关器件，通过控制器5控制IGBT3的通断，给脉冲变压 器4原边一系列脉宽为5 20μ s的脉冲低压，脉冲变压器变比为1 20 ；最后，对IGBT3输 出的脉冲波形进行升压和去磁补偿6，使加在负载处理室7上的脉冲电压最高可达10000V 以上。2系统的控制①IGBT的驱动控制器选择CONCEP公司的集成驱动模块2SD315AI-17，该模块驱动 功率大，控制电路和驱动模块之间采用光纤隔离，具有短路和过流保护的功能，控制板短路 和过流保护过程如图2所示。控制器一旦检测出Vce欠压故障，立即产生关断信号，驱动板 即开始关闭功率管；“故障”信息将会反馈给前端的逻辑电路与驱动接口，并通过状态输出 SOx ；SOx输入CPLD复位端reset，设置不再继续发送触发信号。当放电发生时，故障信号一 直保存，CPLD复位端电位一直为“0”，外加触发无效，可通过面板上的复位按钮将控制器的 VL/reset接地来排除故障信息。②采用可编程逻辑器件(CPLD)来实现控制器。面板上的控制信号输入到CPLD，产 生一系列脉冲宽度、脉冲频率，连续/间断状态可调的信号，控制IGBT的导通和关断，并将 驱动模块2SD315AI-17输出的错误信号引入，作为保护动作的信号。③当IGBT关断时，电源电压突加在开关管上，线路电感会在集电极和发射极两端 产生很高的尖峰电压，使开关器件承受很大的电压应力，可导致IGBT失效。为抑制瞬时过 电压和过大的电压上升率，在IGBT两端并联RCD缓冲回路。④脉冲变压器的设计主要考虑响应特性，要获得陡峭的上升沿，脉冲变压器就必须有小的分布电容和漏感。取感应强度的增量为ι. 55T，带厚为0. 08mm的硅钢带作磁芯。为了减小分布电容，采取分段分组绕制方式，并增加层数，减少每层匝数。
⑤对于单极性的脉冲电源，为了保证每一个脉冲作用时铁芯能够正常工作，必须 添加去磁电流，使铁芯的工作点回到零，变压器铁芯磁复位。当去磁磁场强度HQ = -(1 2)HC时，能显著提高磁感应增量和脉冲磁导率。这里取直流电流去磁，使去磁磁场强度HQ =-2HC，HC为铁芯额定磁场强度，在放电周期之间可达到完全去磁的效果。
权利要求
一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源，整个系统包括升压单元(1)、整流滤波单元(2)、开关器件(3)、方波脉冲变压器(4)、控制保护单元(5)和去磁单元(6)，其特征在于220V工频电压经过升压单元(1)连接到整流滤波单元(2)，通过IGBT(3)的导通和关断输入到方波脉冲变压器(4)，负载(7)上得到脉冲高压；控制保护单元(5)与IGBT(3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源，其特征还在 于去磁单元(6)与方波脉冲变压器(4)相连。
全文摘要
本发明公开了一种用于液体食品灭菌的高压方波脉冲电源，属于高电压加工应用技术领域。其特征是，整个系统包括升压单元、整流滤波单元、开关器件、方波脉冲变压器、控制保护单元和去磁单元；220V工频电压经过升压单元连接到整流滤波单元，通过IGBT的导通和关断输入到方波脉冲变压器，负载上得到脉冲高压；控制保护单元与IGBT相连；去磁单元与方波脉冲变压器相连。本发明的有益效果是得到容许负载参数宽范围可变、脉冲前沿在亚微秒级、十几kV、数十kW的方波脉冲源；大大降低成本，并可兼顾介质强度、细胞膜击穿和能量最小的非热效应；由于液态食品作为负载，不可避免在设备中的放电和干扰，本发明可实现设备的自身保护。
文档编号A23L3/32GK101810358SQ200910010180
公开日2010年8月25日 申请日期2009年1月17日 优先权日2009年1月17日
发明者王仁丽, 董恩源, 邹积岩, 陈锦权 申请人:大连理工大学