专利名称：脉冲电场处理食品用高压脉冲电源的制作方法
技术领域：
本发明属于食品高压脉冲电场非热处理领域，提供了一种双极性陡前沿方波高压 脉冲电源系统。
背景技术：
利用高压脉冲电场处理食品是一个跨食品工程和电气工程两门学科的课题，国外 针对这个课题开展的研究比较早，应用也比较成熟，目前已有中小规模的商业化应用。然 而，国内的研究开展的比较晚，技术进步也比较慢，其主要原因是高压脉冲电源的研制技术 困难。目前用于食品处理的高压脉冲电场装置按照脉冲电压的波形划分主要分为指数衰减 波和方波，每种波形都有单极性和双极性两种形式。国外的研究表明，方波比指数衰减波的 处理效果更好，而且双极性波形比单极性波形可以更好减少电极腐蚀，防止处理食品受到 污染。然而，方波电源的研制比指数衰减波困难，而双极性比单极性对电源结构的要求更加 复杂。双极性方波电源的研制思路可以分为两种。一种思路是先产生低压脉冲，经脉冲 变压器升压后变成高压脉冲；另外一种思路是，先产生高压直流电源，然后经由开关器件产 生高压脉冲。由于高压脉冲的电压等级一般大于10kv，致使后一种实现双极性方波的思路 实现起来会对开关器件造成很大的压力。国外在这一思路上的研究比较先进，比如美国的 Diversified Technology公司研制出能够有效开关150kV，70MW的IGBT模块组，该模块组 采用16个IGBT串并联。然而，国内IGBT串并联技术不成熟，无法开发出适用于工业化生 产的IGBT串并联模块组。对于前一种思路，国外的技术比较成熟，已经有了中小型的工业 化应用装置。这其中以美国俄亥俄州立大学的OSU系列为代表，这些装置采用脉冲变压器 把低压脉冲变换成高压脉冲，以减少对IGBT控制开关的压力。在国内，清华大学深圳研究 生院率先开发出陡前沿双极性方波电源，输出的电压等级达到25kV以上。对于经由脉冲变压器升压的高压脉冲电源，由于脉冲变压器自身对负载要求匹 配，在高压脉冲电场处理食品时对食品电气参数的要求非常严格。由于不同食品的电导率 相差很大，致使脉冲变压器的等效负载电阻能相差数十倍。等效负载电阻的变化会严重影 响双极性方波的波形，使得最终施加到食品上的电压波形发生严重畸变。这给高压脉冲电 场处理食品的研究带来误差。因此，国外在开发用于食品处理的双极性方波高压脉冲电源 时，会首先明确处理食品的电导率等电气参数。然而，对处理食品电导率等电气参数的要 求，限制了一套高压脉冲电源的使用范围，是制约高压脉冲电场处理食品应用的瓶颈。对高压脉冲电场处理食品的研究，主要集中在对微生物的灭活作用和对酶的钝化 作用。与此同时，国内开展了利用高压脉冲电场对酒类进行催陈和对液态食品中的农药进 行降解的研究。这些对液态食品的处理基于电场促进化学反应的原理，大大扩宽了高压脉 冲电场在食品中的应用领域。前期的研究表明，电压波形的上升时间是反应发生的一个重 要参数。然而，由于脉冲变压器设计制作原因，现有许多脉冲电源上升时间一般在US数量 级，很难达到nS数量级。对于大变比的脉冲变压器，这种现象更为突出。
以往基于磁开关的脉冲陡化和磁压缩理论往往适用于指数衰减波，这主要是因为 指数衰减波相对容易获得，而针对方波的脉冲陡化理论及其实践活动并未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的上述缺陷和应用瓶颈，提供一种脉冲电场处理食 品用双极性方波高压脉冲电源，以扩大同一套高压脉冲电源的应用范围，拓展高压脉冲电 场处理食品的应用领域。本发明提供的脉冲电场处理食品用高压脉冲电源，包括一个低压脉冲产生装置和 一个升压的脉冲变压器，其特征在于所述低压脉冲产生装置是双极性方波脉冲产生装置， 所述脉冲变压器的次级绕组连接陡化电路，用于陡化脉冲变压器输出的高压双极性方波脉 冲的上升沿，该陡化电路包括与脉冲变压器的次级绕组并联的补偿脉冲电容器组、以及与 该次级绕组串联的磁开关组。低压脉冲产生装置产生低压双极性方波脉冲，经过脉冲变压 器升压后，形成高压双极性方波脉冲，再经过由脉冲补偿电容组和磁开关组组成的陡化电 路后，形成陡前沿的高压双极性方波脉冲。其中，低压脉冲产生装置可以采用以下结构，包括一个储能电容器及接于其两端的一个直流充电电源；脉冲变压器的两个相位相反的初级绕组，它们分别与储能电容器串联，构成储能 电容器的两个放电回路；两个电力电子开关，分别设在储能电容器的两个放电回路中；以及，一个控制器，与所述两个电力电子开关的控制极连接，控制两个电力电子开关交 替导通，以控制所述两个放电回路交替给储能电容器放电，从而通过所述两个初级绕组向 脉冲变压器输入低压双极性方波脉冲。低压脉冲产生装置也可以采用以下结构，包括一个储能电容器及接于其两端的一个直流充电电源；脉冲变压器的一个初级绕组；四个电力电子开关，第一电力电子开关与第二电力电子开关串接于储能电容器的 两端、且公共端接所述初级绕组的一端，第三电力电子开关与第四电力电子开关串接于储 能电容器的两端、且公共端接所述初级绕组的另一端；以及，一个控制器，与所述四个电力电子开关的控制极连接，控制第一、四电力电子开关 与第二、三电力电子开关交替导通，使得储能电容器被正接所述初级绕组的放电回路和反 接所述初级绕组的放电回路交替放电，从而通过所述初级绕组向脉冲变压器输入低压双极 性方波脉冲。陡化电路的补偿脉冲电容器组可以采用一个高压脉冲电容器，也可以由复数个高 压脉冲电容器串联、或并联、或串并联构成。陡化电路的磁开关组可以采用一个磁开关，也 可以由复数个磁开关串联、或并联、或串并联构成。上述电力电子开关可以为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、或GT0(门极关断晶闸 管)、或IGCT(集成门极换流晶闸管)、或M0SFET、或IPM(智能功率模块)、或IEGT(电子注 入增强栅晶体管)等。本发明利用由脉冲电容器组和磁开关组组成的陡化电路对脉冲变压器输出的高压双极性方波脉冲处理，大大减少方波脉冲的上升时间，使上升时间达到200nS以内，从而 可以更加有效地促进食品中相关化学反应的发生，可以有效地拓展高压脉冲电场在食品非 热处理中的应用领域。同时，该陡化电路使高压脉冲电场处理设备能够应用到具有大电导 率的食品的处理中，从而能够有效地提高同一套设备的应用范围，经试验，可以处理电导率 为lOmS/cm的大电导率液态食品，而电源的输出波形不会发生畸变。本发明高压脉冲电源能够提供上升时间在200nS以内，电压等级在16kV以上的双 极性陡前沿方波高压脉冲。
图1是实施例1高压脉冲电源的原理图；图2是实施例2高压脉冲电源的原理图；图3是本发明中加入陡化电路前所测得的双极性方波波形图，此时处理食品的电 导率为2mS/cm ；图4是本发明中加入陡化电路前所测得的双极性方波波形图，此时处理食品的电 导率为4mS/cm ；图5是本发明中加入陡化电路前所测得的双极性方波波形图，此时处理食品的电 导率为10mS/cm ；图6是本发明中加入陡化电路后所测得的双极性陡前沿方波波形图，此时处理食 品的电导率为10mS/cm;图7是本发明中加入陡化电路后产生的陡前沿双极性方波上升时间波形图，此时 处理食品的电导率为lOmS/cm。
具体实施例方式本发明提出了一种能够输出陡前沿双极性方波的高压脉冲电源，它不仅能使方波 上升时间达到200nS以内，有效扩展高压脉冲电场处理食品的应用领域，而且在处理大电 导率的食品时波形不发生畸变，能有效地提高同一套设备的应用范围。本发明中的电力电 子开关可以采用IGBT、GTO、IGCT、MOSFET、IPM、IEGT等，下面以IGBT为例，结合附图及实施 例对本发明做进一步说明。实施例1 如图1所示，本高压脉冲电源包括一个低压脉冲产生装置1和一个升压的脉冲变 压器PT21。脉冲变压器PT21采用变比为1 20的双极性升压脉冲变压器，其具有两个相 位相反的初级绕组和一个次级绕组。脉冲变压器PT21的次级绕组并联一个补偿脉冲电容 器组C22，该次级绕组同时串联一个磁开关组MS21，补偿脉冲电容器组C22和磁开关组MS21 组成陡化电路，用于陡化脉冲变压器PT21输出的高压双极性方波脉冲的上升沿。磁开关组 MS21可以采用由复数个磁开关串联、或并联、或串并联组成的磁开关组，也可以采用单个磁 开关。补偿脉冲电容器组C22可以采用由复数个高压脉冲电容器串联、或并联、或串并联组 成的补偿脉冲电容器组，也可以采用单个高压脉冲电容器。低压脉冲产生装置1是双极性方波脉冲产生装置，它包括一个储能电容器C21、 一个直流充电电源11、脉冲变压器PT21的两个相位相反的初级绕组、IGBT21、IGBT22、控制器12。直流充电电源11接于储能电容器C21两端。脉冲变压器PT21的两个相位相反的初 级绕组分别与储能电容器C21串联，构成储能电容器C21的两个放电回路。IGBT21、IGBT22 分别连接在储能电容器C21的两个放电回路中，控制器12与IGBT21、IGBT22的控制极连 接，控制它们交替导通，以控制所述两个放电回路交替给储能电容器C21放电，从而通过脉 冲变压器PT21的两个初级绕组向脉冲变压器PT21输入1-1000V可调的低压双极性方波脉 冲。1-1000V可调的低压双极性方波脉冲经脉冲变压器PT21升压后，产生上升时间在 2uS左右、电压幅值可达16kV的高压双极性方波脉冲，再经过所述陡化电路处理后，产生上 升时间在200nS左右、幅值可达16kV的高压双极性方波脉冲。低压脉冲产生装置1的控制器可以采用DSP与触摸屏组合实现、或者用单片机与 触摸屏组合实现、或者用个人PC机实现，它输出控制信号加到IGBT21、IGBT22的驱动电路 上，控制IGBT21、IGBT22导通或截止，从而精确地控制该高压脉冲电源输出的高压方波脉 冲的脉宽、频率等电气参数，使得脉冲的脉宽能以IuS为步长变化，而IGBT的保护电路能够 有效地在电路发生过压、过流等故障时提供保护。该高压脉冲电源输出的高压方波脉冲的电压等级大于16KV，在处理电导率为 10mS/cm的食品时，该高压方波脉冲的上升时间能维持在200士 10ns。实施例2 参照图2，本高压脉冲电源包括一个低压脉冲产生装置和一个升压的脉冲变压器 PT31。脉冲变压器PT31采用变比为1 20的单极性升压脉冲变压器，其具有一个初级绕 组和一个次级绕组。脉冲变压器PT31的次级绕组并联一个补偿脉冲电容器组C32，该次级 绕组同时串联一个磁开关组MS31，补偿脉冲电容器组C32和磁开关组MS31组成陡化电路， 用于陡化脉冲变压器PT31输出的高压双极性方波脉冲的上升沿。磁开关组MS31可以采用 由复数个磁开关串联、或并联、或串并联组成的磁开关组，也可以采用单个磁开关。补偿脉 冲电容器组C32可以采用由复数个高压脉冲电容器串联、或并联、或串并联组成的补偿脉 冲电容器组，也可以采用单个高压脉冲电容器。其中，低压脉冲产生装置是双极性方波脉冲产生装置，它包括一个储能电容器 C31、一个直流充电电源11、脉冲变压器PT31的初级绕组、IGBT31-IGBT;M四个IGBT、控制器 12。直流充电电源11接于储能电容器C31的两端。IGBT31(即第一 IGBT)与IGBT32(即第 二 IGBT)串接于储能电容器C31的两端、并且公共端接脉冲变压器PT31初级绕组的一端， IGBT33(即第三IGBT)与IGBT34(即第四IGBT)也串接于储能电容器C31的两端、并且公 共端接脉冲变压器PT31初级绕组的另一端。控制器12与IGBT31-IGBT34四个IGBT的控 制极连接，控制第一、四IGBT与第二、三IGBT交替导通(即在前半周期，第一 IGBT和第四 IGBT均导通，第二 IGBT和第三IGBT均截止，在后半周期，第一 IGBT和第四IGBT均截止， 第二 IGBT和第三IGBT均导通；或者相反。)，使得储能电容器C31被正接脉冲变压器PT31 初级绕组的放电回路和反接脉冲变压器PT31初级绕组的放电回路交替放电，从而通过脉 冲变压器PT31的初级绕组向脉冲变压器PT31输入1-1000V可调的低压双极性方波脉冲。1-1000V可调的低压双极性方波脉冲经脉冲变压器PT31升压后，产生上升时间在 2uS左右、电压幅值可达16kV的高压双极性方波脉冲，再经过所述陡化电路处理后，产生上 升时间在200nS左右、幅值可达16kV的高压双极性方波脉冲。
经试验，上述实施例1、2的高压脉冲电源，在加陡化电路前，输出的高压脉冲的上 升时间在2uS左右，电压幅值可达16kV，用该高压脉冲电源处理电导率为anS/cm的食品时， 测到的波形图如图3所示，由图可见，方波脉冲的上升时间在2uS左右。当用来处理电导率 为％iS/cm的食品时，测到的波形图如图4所示，由图可见，脉冲波形已发生畸变，方波脉冲 的上升时间在4uS左右。当用来处理电导率为lOmS/cm的食品时，测到的波形图如图5所 示，脉冲波形已经畸变为三角波。而上述实施例1、2的高压脉冲电源(包含陡化电路后)，输出的高压脉冲的上升时 间在200nS左右，陡化了高压双极性方波脉冲的前沿。如图6和7所示，当用来处理电导率 为lOmS/cm的食品时，亦可使高压脉冲的上升时间在200nS左右，这拓展了高压脉冲电场处 理食品的研究和应用领域。而不论处理食品的电导率为多少，经过本发明中的脉冲陡化电 路后都能使得输出电压波形上升沿变陡，电压波形没有发生明显畸变，这扩宽了同一套设 备的应用范围。
权利要求
1.一种脉冲电场处理食品用高压脉冲电源，包括一个低压脉冲产生装置和一个升压 的脉冲变压器，其特征在于所述低压脉冲产生装置是双极性方波脉冲产生装置，所述脉冲 变压器的次级绕组连接陡化电路，用于陡化脉冲变压器输出的高压双极性方波脉冲的上升 沿，该陡化电路包括与脉冲变压器的次级绕组并联的补偿脉冲电容器组、以及与该次级绕 组串联的磁开关组。
2.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述低压脉冲产生装置包括一个储能电容器及接于其两端的一个直流充电电源；脉冲变压器的两个相位相反的初级绕组，它们分别与储能电容器串联，构成储能电容 器的两个放电回路；两个电力电子开关，分别设在储能电容器的两个放电回路中；以及，一个控制器，与所述两个电力电子开关的控制极连接，控制两个电力电子开关交替导 通，以控制所述两个放电回路交替给储能电容器放电，从而通过所述两个初级绕组向脉冲 变压器输入低压双极性方波脉冲。
3.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述低压脉冲产生装置包括一个储能电容器及接于其两端的一个直流充电电源；脉冲变压器的一个初级绕组；四个电力电子开关，第一电力电子开关与第二电力电子开关串接于储能电容器的两 端、且公共端接所述初级绕组的一端，第三电力电子开关与第四电力电子开关串接于储能 电容器的两端、且公共端接所述初级绕组的另一端；以及，一个控制器，与所述四个电力电子开关的控制极连接，控制第一、四电力电子开关与第 二、三电力电子开关交替导通，使得储能电容器被正接所述初级绕组的放电回路和反接所 述初级绕组的放电回路交替放电，从而通过所述初级绕组向脉冲变压器输入低压双极性方 波脉冲。
4.如权利要求1或2或3所述的高压脉冲电源，其特征在于所述陡化电路的补偿脉 冲电容器组为一个高压脉冲电容器，或者由复数个高压脉冲电容器串联、并联或串并联构 成的脉冲电容器组。
5.如权利要求1或2或3所述的高压脉冲电源，其特征在于所述陡化电路的磁开关 组为一个磁开关，或者由复数个磁开关串联、并联或串并联构成的磁开关组。
6.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于输出的高压方波脉冲的电压等级 大于10kV，在处理电导率不高于lOmS/cm的食品时，该高压方波脉冲的上升沿的上升时间 维持在200ns以内。
7.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于所述低压脉冲产生装置输出 1-1000V的低压双极性方波脉冲。
全文摘要
一种脉冲电场处理食品用高压脉冲电源，包括一个低压脉冲产生装置和一个升压的脉冲变压器，所述低压脉冲产生装置是双极性方波脉冲产生装置，所述脉冲变压器的次级绕组连接陡化电路，用于陡化脉冲变压器输出的高压双极性方波脉冲的上升沿，该陡化电路包括与脉冲变压器的次级绕组并联的补偿脉冲电容器组、以及与该次级绕组串联的磁开关组。本发明高压脉冲电源能够提供上升时间在200nS以内，电压等级在16kV以上的双极性陡前沿方波高压脉冲。
文档编号H02M7/48GK102055362SQ20091010999
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月4日 优先权日2009年11月4日
发明者关志成, 张若兵, 王黎明, 莫孟斌, 贾志东, 陈杰 申请人:清华大学深圳研究生院