脈沖電場滅菌用固態高壓開關的研制

魏新勞，　丁廈，2，　石丹丹，2，　邢雁凱

(1.工程電介質及其應用教育部重點實驗室 哈爾濱理工大學 ，黑龍江 哈爾濱 150080；2.國網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高壓開關的研制

魏新勞1，丁廈1，2，石丹丹1，2，邢雁凱1

(1.工程電介質及其應用教育部重點實驗室 哈爾濱理工大學 ，黑龍江 哈爾濱 150080；2.國網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對開關性能的特殊要求，提出了利用IGBT串聯構成高壓、大容量固態開關的技術。設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的固態高壓開關。該開關采用8個1 700 V、400 A的IGBT串聯，以柵極動態RCD為基本均壓方式，以FPGA為主控單元，產生8路相對獨立的基準控制脈沖，其脈寬、周期、延時均可調節，且以25 ns為步進調節。通過調節各路驅動信號的相對延時，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。

關鍵詞:脈沖電場；IGBT串聯；固態高壓開關；動態均壓；現場可編程邏輯門陣列(FPGA)

0引言

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

熱殺菌是通過使微生物的酶和結構蛋白被破壞，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，被廣泛應用的是巴氏殺菌技術[1-2]。

因為食品在熱力作用下會導致其碳水化合物、蛋白質、脂質、維生素、酶等成分受到不同程度的影響，熱殺菌技術在殺滅細菌的同時，會由于熱作用而改變食品的口感、營養特性等，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，熱殺菌技術的能量利用率是很低的。因此，在食品加工行業，對食品殺菌新技術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手段使微生物被殺滅的技術。目前，在食品殺菌領域中研究的主要非熱殺菌技術有化學藥物殺菌、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用中起著關鍵的作用，也是脈沖電場滅菌技術研究的重點。脈沖電場滅菌裝置主要包括高壓脈沖發生電路、處理腔、測量裝置以及被處理液體食品儲存、輸送裝置。其中關鍵的是高壓脈沖發生器和處理腔[6]。就高壓脈沖發生器而言，要求其可以提供滅菌所需要特性參數(波形、頻率、幅值、脈寬、極性)的脈沖電壓，這里的關鍵是高壓脈沖開關。目前，高壓脈沖開關的實現主要有兩種方案：一種是采用旋轉電極間隙或點火球隙作為開關，其優點是開關不易損壞，而且不需要太多的外圍器件，電路的造價較低，缺點是不可關斷，因此不能產生方波脈沖，而且，從能耗角度看工作效率比較低。另一種是采用可關斷的電子器件作為開關，稱為固態開關(solid-state switch)。固態開關也用來專指單個或經多個半導體功率器件串并聯后的固體半導體開關。

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點，使其應用極為廣泛。然而在大功率高電壓的場合下，單個IGBT作為線路開關難以達到要求，將耐壓等級較低的幾個IGBT進行串聯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，其串聯應用有許多技術問題需要解決，因此IGBT的串聯技術受到廣泛關注[7-10]。

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

由于各個IGBT管泄漏電流參數的差異，在IGBT處于截止狀態時，串聯連接的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，為了防止這種現象的出現，在關閉的狀態下對IGBT串進行均壓也是實現IGBT串聯應用的技術關鍵之一。把這種在關閉狀態下對IGBT串進行的均壓稱為靜態均壓[11-12]。

從技術難易程度看，動態均壓要比靜態均壓的技術難度高。應此，關于IGBT串聯技術的研究絕大多數都集中在對動態均壓技術的研究，也就是主要研究如何保證每個IGBT的開通和關斷時間一致。

本文在目前應用較廣的柵極動態RCD均壓電路的基礎上，采用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)對整個IGBT串聯串中的每個IGBT管的工作過程進行獨立控制，以期使整個IGBT串的工作狀態達到比較理想的狀態。通過VHDL編程，由FPGA產生脈寬、周期、延時均可相對獨立調節的8路控制信號，用于對串聯連接的8個IGBT進行控制，通過調節各個IGBT控制信號的延時，可以最大限度使所有IGBT管的關斷、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，使驅動與控制電路之間隔離電壓不受限制。通過柵極動態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高壓開關，為后續研究提出了可靠的理論及實驗依據。

1柵極動態RCD均壓技術

1.1均壓電路原理及參數選擇

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

當某個IGBT器件承受過電壓時，RCD電路將產生附加的門極驅動電流注入到該IGBT的門極，動態調整IGBT器件的開關過程，抑制串聯組件運行時出現的分壓不均衡現象[13-15]。

圖1　柵極動態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揮作用，需要對電路中元件的參數進行全面的設計。設計每個電路元件參數，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。參數的基本要求為C1>>C2,R1>>R2。

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

1.2均壓電路仿真分析

根據以上參數的確定及元器件的選擇，在ORCAD中搭建八單元IGBT串聯仿真電路進行分析。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串聯系統中各單元在開斷瞬間的電壓波形。通過圖3、圖4比較發現，均壓電路起到了明顯的效果。在無均壓的電路中，在IGBT開通瞬間出現了明顯的過電壓，且驅動信號的相對延時越長，過壓值越大。而在有均壓的串聯電路中，各單元分壓基本均等，沒有出現過壓現象，證明了均壓電路的有效性及參數選擇的合理性。

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定

2.1控制信號的提供

傳統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、可調性差、長時間穩定性差和易受干擾等缺點。為了實現高精度和高可靠性的控制效果，設計了一種基于FPGA的多路可調IGBT控制系統，其多路控制信號的脈寬、周期、相對延時均可獨立調節，且調節步進為25 ns。

FPGA選用Altera公司生產的Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N。它拓展了前一代Cyclone IIIFPGA的低功耗優勢，降低了內核電壓，總功耗降低了25%。電路設計了AS和JTAG兩種配置方式，在調試過程中，采用JTAG方式進行調試。當調試成功后，采用AS方式將程序固化到外圍存儲芯片，每次開機上電后，控制程序將自動運行[17-18]。

在Quartus II軟件下進行編程，編程語言采用VHDL。應用Modelsim進行程序的仿真驗證?；贔PGA的控制系統主要由分頻電路、脈寬調節、周期調節、占空比調節、延時調節等部分組成。本文基準信號脈寬為10 μs，頻率為500 Hz?；鶞士刂菩盘柸鐖D5所示。

2.2相對延時的測定與調節

在IGBT串聯技術中，各單元分壓不均衡主要是由各單元驅動信號無法完全同步和各個受控IGBT開關參數分散性所導致的。提出一種基于FPGA控制各路信號相對延時的方法，調節各單元之間初始信號的相對延時，從而使驅動信號達到同步，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驅動信號之間相差約為200 ns，這就導致其分壓不均，先關斷的承受高壓。

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

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

在測得雙路驅動信號相對時間差后，可利用FPGA對其相應基準控制信號進行延時處理，從而使雙路信號在驅動端達到同步，進而實現分壓均衡。在本例中，對先關斷的IGBT初始控制信號延時200 ns,調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

經初始控制信號延時調整后，兩路IGBT關斷瞬間波形如圖8所示。從圖中可以看出，此時兩路IGBT關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　兩路經相對延時調整后IGBT關斷瞬間波形Fig.8　Turn-off transient waveform of two IGBTS　　　that driving signals are relatively delay　　　adjustment

3驅動電路與隔離途徑的選擇

3.1驅動電路與隔離方式

為了使IGBT串聯系統分壓均勻且工作可靠穩定，驅動部分的選擇尤為重要。由于高壓開關系統工作過程中，各單元IGBT均處于很高的對地電位上，因此驅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點，因此選擇使用光纖隔離。

根據以上分析，選擇落木源公司生產的TX-DF102作為驅動板，與其他專用集成驅動芯片相比，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斷，并封鎖輸入信號以執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。

自帶光纖驅動器接口板TX-JKDF1，實現光、電信號之間的相互轉換，用以連接控制電路及驅動電路。經光纖隔離傳輸后的驅動信號如圖9所示。

3.2驅動電源的提供

為了提高驅動芯片工作的可靠性，防止電源之間的相互干擾影響IGBT驅動芯片的工作，每一路驅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市電首先經電路板焊接型變壓器降壓，再經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壓芯片所需的直流工作電壓。該直流電壓再經過穩壓芯片7815，從而得到穩定的+15 V直流電。

4實驗結果分析

基于以上實驗方案的設計及設備的選型，搭建了由8只IGBT串聯組成的固態高壓開關。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為固態高壓開關整體實物連接圖。

實驗主電路采用電容儲能形式。220 V交流市電經調壓器調節輸出電壓，然后輸入升壓變壓器，經整流及濾波后，產生穩定直流電，對電容器進行充電。通過控制固態高壓開關的開斷，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。第一組試驗中開關不加均壓電路和相對延時控制，第二組試驗中開關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，導致負載端波形也出現明顯尖峰，此時，如若主電路電壓繼續增大，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?？梢园l現在高壓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的放電時間內電容器本身電壓下降所致)，沒有出現電壓尖峰。因此證明了本實驗設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結論

本文采用8只1 700 V的IGBT串聯，設計并制造出能承受10 kV方波脈沖電壓的固態高壓開關。該開關以柵極動態RCD為基本均壓方式，以FPGA為主控單元，產生8路相對獨立的基準控制脈沖，且其脈寬、周期、延時均可調節。隔離方式采用光纖隔離，使驅動電路與控制電路間隔離電壓不受限制。實驗結果表明，該固態高壓開關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。

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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：國家自然科學基金(51277046)；高等學校博士學科點專項科研基金(20122303110007)

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

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；