脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

魏新劳，　丁厦，2，　石丹丹，2，　邢雁凯

(1.工程电介质及其应用教育部重点实验室 哈尔滨理工大学 ，黑龙江 哈尔滨 150080；2.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250000)



脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

魏新劳1，丁厦1，2，石丹丹1，2，邢雁凯1

(1.工程电介质及其应用教育部重点实验室 哈尔滨理工大学 ，黑龙江 哈尔滨 150080；2.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250000)

摘要:针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求，提出了利用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1 700 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。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。

关键词:脉冲电场；IGBT串联；固态高压开关；动态均压；现场可编程逻辑门阵列(FPGA)

0引言

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。

热杀菌是通过使微生物的酶和结构蛋白被破坏，细胞膜损伤，核酸解链崩解，最终死亡。热杀菌技术包括巴氏杀菌、短时超高温杀菌、高温杀菌、欧姆加热杀菌、微波杀菌等，被广泛应用的是巴氏杀菌技术[1-2]。

因为食品在热力作用下会导致其碳水化合物、蛋白质、脂质、维生素、酶等成分受到不同程度的影响，热杀菌技术在杀灭细菌的同时，会由于热作用而改变食品的口感、营养特性等，从而改变食品的天然特性。另外，由于热杀菌将整个需要做杀菌处理的物体都加热到足以使细菌灭活的温度，而不是仅仅将细菌加热到使其灭活的温度，这就需要消耗大量的能量。因此，从能量消耗的角度看，热杀菌技术的能量利用率是很低的。因此，在食品加工行业，对食品杀菌新技术的研究一直是非常重要的、同时也是比较活跃的研究方向。

非热杀菌技术是在不改变被处理液体食品温度或者温度变化比较小的情况下，利用热力之外的其他物理或化学手段使微生物被杀灭的技术。目前，在食品杀菌领域中研究的主要非热杀菌技术有化学药物杀菌、超高压力杀菌、电离辐射杀菌、紫外线杀菌、超声波杀菌、过滤除菌、脉冲强光杀菌、脉冲磁场杀菌、高压脉冲电场杀菌等。其中，高压脉冲电场杀菌技术在食品非热杀菌，特别是液体食品非热杀菌方面得到了广泛研究[3-5]。

脉冲电场灭菌装置在脉冲电场灭菌研究和应用中起着关键的作用，也是脉冲电场灭菌技术研究的重点。脉冲电场灭菌装置主要包括高压脉冲发生电路、处理腔、测量装置以及被处理液体食品储存、输送装置。其中关键的是高压脉冲发生器和处理腔[6]。就高压脉冲发生器而言，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，这里的关键是高压脉冲开关。目前，高压脉冲开关的实现主要有两种方案：一种是采用旋转电极间隙或点火球隙作为开关，其优点是开关不易损坏，而且不需要太多的外围器件，电路的造价较低，缺点是不可关断，因此不能产生方波脉冲，而且，从能耗角度看工作效率比较低。另一种是采用可关断的电子器件作为开关，称为固态开关(solid-state switch)。固态开关也用来专指单个或经多个半导体功率器件串并联后的固体半导体开关。

在大功率高压电力电子器件中，IGBT具有MOSFET的快速通断和电力晶体管大电流耐压高的双重优点，使其应用极为广泛。然而在大功率高电压的场合下，单个IGBT作为线路开关难以达到要求，将耐压等级较低的几个IGBT进行串联能有效解决耐压低的缺陷，且成本较低。但是由于IGBT所固有的特点，其串联应用有许多技术问题需要解决，因此IGBT的串联技术受到广泛关注[7-10]。

实现IGBT串联的关键在于要确保所有IGBT在开通和关断时的同步性。然而，由于IGBT自身动态特性差异及各IGBT的驱动电路性能无法保证完全一致，使得串联应用时各IGBT在开通和关断的时间上有一定差异。正是由于这种在开通和关断时间上的差异，导致在开通或关闭的过程中，串联连接的各IGBT上所承担的电压不均匀，容易导致承担电压过高的IGBT击穿，并进而引起其它IGBT相继击穿，为了防止这种现象的出现，在开通或关闭的过程对IGBT串进行均压是实现IGBT串联应用的技术关键之一。把这种在开通或关闭的过程对IGBT串进行的均压称为动态均压。

由于各个IGBT管泄漏电流参数的差异，在IGBT处于截止状态时，串联连接的IGBT串中各个IGBT上的电压分布也是不均匀的，这种不均匀同样也会导致承担电压过高的IGBT击穿，并进而引起其它IGBT相继击穿，为了防止这种现象的出现，在关闭的状态下对IGBT串进行均压也是实现IGBT串联应用的技术关键之一。把这种在关闭状态下对IGBT串进行的均压称为静态均压[11-12]。

从技术难易程度看，动态均压要比静态均压的技术难度高。应此，关于IGBT串联技术的研究绝大多数都集中在对动态均压技术的研究，也就是主要研究如何保证每个IGBT的开通和关断时间一致。

本文在目前应用较广的栅极动态RCD均压电路的基础上，采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)对整个IGBT串联串中的每个IGBT管的工作过程进行独立控制，以期使整个IGBT串的工作状态达到比较理想的状态。通过VHDL编程，由FPGA产生脉宽、周期、延时均可相对独立调节的8路控制信号，用于对串联连接的8个IGBT进行控制，通过调节各个IGBT控制信号的延时，可以最大限度使所有IGBT管的关断、开通接近于同步，把这种方法称为相对延时法。采用光纤隔离，使驱动与控制电路之间隔离电压不受限制。通过栅极动态RCD均压电路及相对延时法的使用，制作出了各单元分压均匀且负载端波形良好的固态高压开关，为后续研究提出了可靠的理论及实验依据。

1栅极动态RCD均压技术

1.1均压电路原理及参数选择

图1为串联IGBT的栅极动态RCD均压电路原理示意图。图中的R1，R2为静态均压电阻；C1、C2、D1和Rg组成动态均压电路。TVS为双向瞬态电压抑制器，保护IGBT栅极不受过压影响。V1为驱动信号。

当某个IGBT器件承受过电压时，RCD电路将产生附加的门极驱动电流注入到该IGBT的门极，动态调整IGBT器件的开关过程，抑制串联组件运行时出现的分压不均衡现象[13-15]。

图1　栅极动态RCD电路示意图Fig.1　Circuit schematic of gate dynamic RCD

要使均压电路能够很好的发挥作用，需要对电路中元件的参数进行全面的设计。设计每个电路元件参数，一方面要考虑器件所能承受的电压，另一方面要考虑均压电路带来的功率损耗，必须在二者之间进行折中考虑。参数的基本要求为C1>>C2,R1>>R2。

静态均压电阻的选择应同时考虑IGBT的漏电流和开关损耗。为确保静态均压，通过电阻的电流应至少为IGBT漏电流的10倍，即R1+R2

1.2均压电路仿真分析

根据以上参数的确定及元器件的选择，在ORCAD中搭建八单元IGBT串联仿真电路进行分析。为了分析各IGBT动作不一致时各单元电压分布情况，将各单元驱动信号加以不同延时，分别为0 ns，50 ns,100 ns，150 ns,200 ns，250 ns,300 ns,350 ns。仿真示意图如图2所示。

图2　八单元IGBT串联仿真示意图Fig.2　Simulation schematic of eight IGBTs series　　　 connection

图2中，R0为保护电阻，Rx和Cx为负载的等效电阻和等效电容。分别对无均压电路及有均压电路时各单元IGBT的开通及关断瞬间电压波形进行对比，无均压时波形如图3所示，有均压电路时如图4所示。

在图3及图4中，V1～V8分别代表八单元IGBT串联系统中各单元在开断瞬间的电压波形。通过图3、图4比较发现，均压电路起到了明显的效果。在无均压的电路中，在IGBT开通瞬间出现了明显的过电压，且驱动信号的相对延时越长，过压值越大。而在有均压的串联电路中，各单元分压基本均等，没有出现过压现象，证明了均压电路的有效性及参数选择的合理性。

图4　有均压各单元开断瞬间波形Fig.4　Turn-on and turn-off transient waveform of　　　 each unit with voltage-balancing

2控制电路及相对延时的设定

2.1控制信号的提供

传统的控制信号多由信号源和分离元件的模拟电路组成，存在精度低、可调性差、长时间稳定性差和易受干扰等缺点。为了实现高精度和高可靠性的控制效果，设计了一种基于FPGA的多路可调IGBT控制系统，其多路控制信号的脉宽、周期、相对延时均可独立调节，且调节步进为25 ns。

FPGA选用Altera公司生产的Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N。它拓展了前一代Cyclone IIIFPGA的低功耗优势，降低了内核电压，总功耗降低了25%。电路设计了AS和JTAG两种配置方式，在调试过程中，采用JTAG方式进行调试。当调试成功后，采用AS方式将程序固化到外围存储芯片，每次开机上电后，控制程序将自动运行[17-18]。

在Quartus II软件下进行编程，编程语言采用VHDL。应用Modelsim进行程序的仿真验证。基于FPGA的控制系统主要由分频电路、脉宽调节、周期调节、占空比调节、延时调节等部分组成。本文基准信号脉宽为10 μs，频率为500 Hz。基准控制信号如图5所示。

2.2相对延时的测定与调节

在IGBT串联技术中，各单元分压不均衡主要是由各单元驱动信号无法完全同步和各个受控IGBT开关参数分散性所导致的。提出一种基于FPGA控制各路信号相对延时的方法，调节各单元之间初始信号的相对延时，从而使驱动信号达到同步，进而使均压问题得到解决。例如图6所示，通过示波器观察可知，两路IGBT驱动信号之间相差约为200 ns，这就导致其分压不均，先关断的承受高压。

图5　基准控制信号波形Fig.5　Waveform of the inference control signal

图6　两路驱动信号不同步的IGBT关断瞬间波形Fig.6　Turn-off transient waveform of two IGBTS that　　　 driving signals are not synchronized

在测得双路驱动信号相对时间差后，可利用FPGA对其相应基准控制信号进行延时处理，从而使双路信号在驱动端达到同步，进而实现分压均衡。在本例中，对先关断的IGBT初始控制信号延时200 ns,调整后双路控制信号如图7所示。

图7　相对延时200 ns双路控制信号Fig.7　Relative delay of 200 ns dual control signals

经初始控制信号延时调整后，两路IGBT关断瞬间波形如图8所示。从图中可以看出，此时两路IGBT关断瞬间波形近乎完全重合，即分压非常均匀，证明了相对延时法的合理性及适用性。

图8　两路经相对延时调整后IGBT关断瞬间波形Fig.8　Turn-off transient waveform of two IGBTS　　　that driving signals are relatively delay　　　adjustment

3驱动电路与隔离途径的选择

3.1驱动电路与隔离方式

为了使IGBT串联系统分压均匀且工作可靠稳定，驱动部分的选择尤为重要。由于高压开关系统工作过程中，各单元IGBT均处于很高的对地电位上，因此驱动电路也处于很高的对地电位。而控制电路处于很低的电位(一般可以认为是地电位)，这就要求在控制电路与驱动电路之间有一个能够承受很高电位差的信号传输通道，即隔离传输通道[19]。

目前常用的隔离传输方式有光耦隔离、脉冲变压器隔离及光纤隔离。其中光纤隔离具有抑制波形畸变、减缓信号延迟、隔离电压不受限制等优点，因此选择使用光纤隔离。

根据以上分析，选择落木源公司生产的TX-DF102作为驱动板，与其他专用集成驱动芯片相比，它具有以下几个特点：

1)光纤连接输入信号，控制电路与驱动电路间隔离电压不受限制；

2)三段式完善的过电流保护功能，先降栅压、再延迟判断、确实短路时实行软关断，并封锁输入信号以执行一个完整的保护周期；

3)保护报警光纤输出，同时故障指示灯显示；

4)自带DC/DC辅助电源，隔离电压高达15 kV；

5)输入电源极性保护、输入电压过、欠压保护。

自带光纤驱动器接口板TX-JKDF1，实现光、电信号之间的相互转换，用以连接控制电路及驱动电路。经光纤隔离传输后的驱动信号如图9所示。

3.2驱动电源的提供

为了提高驱动芯片工作的可靠性，防止电源之间的相互干扰影响IGBT驱动芯片的工作，每一路驱动芯片都配备有独立的工作电源，共8路相同的电源。每路电源提供两个独立的+15 V直流电，分别供给该单元驱动板TX-DF102及接口板TX-JKDF1。一路电源示意图如图10所示。

图9　光纤隔离传输后的驱动信号Fig.9　Driving signal after optical fiber isolation　　　 transmission

图10 　一路电源示意图Fig.10　Schematic of one power supply

图10中220 V市电首先经电路板焊接型变压器降压，再经过二极管整流桥整流，最后通过电解电容和瓷片电容滤去高频和低频噪声，这样就形成了能提供给稳压芯片所需的直流工作电压。该直流电压再经过稳压芯片7815，从而得到稳定的+15 V直流电。

4实验结果分析

基于以上实验方案的设计及设备的选型，搭建了由8只IGBT串联组成的固态高压开关。IGBT模块选择英飞凌公司的FZ400R17KE4(1 700 V/400 A)。一单元IGBT实物图如图11所示。图12为固态高压开关整体实物连接图。

实验主电路采用电容储能形式。220 V交流市电经调压器调节输出电压，然后输入升压变压器，经整流及滤波后，产生稳定直流电，对电容器进行充电。通过控制固态高压开关的开断，在负载端得到方波脉冲。负载为采用同轴圆柱电极的脉冲电场灭菌处理室(内装自来水)[20]。主电路原理电路图如图13所示。

图11　一单元IGBT实物连接图Fig.11　A unit of IGBT physical connection diagram

图13　主电路原理图Fig.13　Schematic of the main circuit

为了验证本文设计方案的有效性及适用性，采用了对照实验。第一组试验中开关不加均压电路和相对延时控制，第二组试验中开关则加入了均压电路和相对延时控制。比较两组实验波形，从而分析本文设计方案的性能。高压信号的测量提取采用高压探头，其型号为泰克P6015A。

无均压电路和相对延时控制的8单元IGBT集电极、发射极间波形如图14所示，负载端波形如图15所示。

图14　无均压无相对延时各IGBT集-射极电压波形Fig.14　The collect-emitter voltage waveform of every　　　IGBT without voltage-balancing and relative　　　 delay

从图14、15可以看出，在无均压电路和相对延时控制的情况下，各单元IGBT的电压分配极不均匀，电压幅值及平均值相差均很大，波形有明显畸变，导致负载端波形也出现明显尖峰，此时，如若主电路电压继续增大，极易损坏IGBT及其他保护元件。

图15　无均压无相对延时负载波形Fig.15　Waveform of the load without voltage-balancing　　　 and relative delay

有均压电路且有相对延时控制的8单元IGBT集-射极间波形如图16所示。

图16　有均压有相对延时各IGBT集-射极电压波形Fig.16　The collect-emitter voltage waveform of every　　　IGBT with voltage-balancing and relative　　　delay

从图16可以看出，在有均压电路和相对延时控制的情况下，各单元IGBT的电压分配比较均匀，电压幅值及平均值近乎相等，波形比较理想。此时，将负载端电压升高到10 kV，负载波形如图17所示。可以发现在高压10 kV情况下，负载波形依然比较理想(波顶部分的下降是由于主电路电容器的电容量比较小，在其对负载进行的10 μs的放电时间内电容器本身电压下降所致)，没有出现电压尖峰。因此证明了本实验设计方案的有效性及适用性。

图17　有均压有相对延时负载波形(10 kV)Fig.17　Waveform of the load with voltage-balancing　　　 and relative delay (10 kV)

5结论

本文采用8只1 700 V的IGBT串联，设计并制造出能承受10 kV方波脉冲电压的固态高压开关。该开关以栅极动态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，且其脉宽、周期、延时均可调节。隔离方式采用光纤隔离，使驱动电路与控制电路间隔离电压不受限制。实验结果表明，该固态高压开关各单元分压均匀且负载端波形良好，可以作为高压、大功率(如脉冲电场灭菌)等场合使用的高压脉冲开关。

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(编辑：刘琳琳)

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

基金项目：国家自然科学基金(51277046)；高等学校博士学科点专项科研基金(20122303110007)

作者简介：魏新劳(1960—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为高电压技术及应用、高电压与绝缘技术及电力设备绝缘检测； 石丹丹(1989—)，女，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术； 邢雁凯(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。

通信作者:丁厦

DOI:10.15938/j.emc.2016.07.004

中图分类号:TM 564.8

文献标志码:A

文章编号:1007-449X(2016)07-0024-08

丁厦(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术；