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用于高压脉冲电场杀菌的IGBT串联型高压脉冲发生器研究

余琳  
【摘要】:针对国内在应用于高压脉冲电场(Pulsed Electric Fields, PEF)杀菌技术中高压脉冲发生器研制水平较为落后的现状,采用IGBT串联技术,研究了IGBT串联型高压脉冲发生器的设计方法;结合PEF杀菌应用中脉冲及共线型处理室特征,设计了64只1200V IGBT串联的耐压30kV的固态开关;将该固态开关应用于高压脉冲发生器,能输出峰值30kV、频率及脉宽可调的准方波脉冲。主要研究内容和结论如下: (1)设计了基于DSP控制的、光纤耦合传输的、以M57962L为驱动器的64只IGBT的驱动电路及短路保护电路,其中驱动电路的信号最大延迟时间差不超过100ns,短路保护时间约为6.5μs。 (2)分析了IGBT的开关过程及功率损耗,拟合了IGBT等效热时间常数τj与等效热阻Rjc的关系,证明IGBT在工作中存在结温叠加;通过散热分析,得到散热器热阻为Rfa=1.7℃/W (3)以IGBT Hefner模型为研究基础,提取了该模型的IGBT物理参数,建立了IGW60T120的PSpice仿真模型;通过对比IGBT开关暂态过程中的实验波形与仿真波形,证明所建立的模型具有较好的仿真精度,可应用于IGBT串联电路仿真分析, 辅助IGBT串联电路的设计,预测IGBT串联电路的工作状态。 (4)通过对IGBT串联电路的开关延时分析,证明IGW60T120在平均工作电压为600V时,安全延迟时间不超过70ns;对IGW60T120的栅极特性进行数学及仿真分析,表明栅极电阻每增加5Ω,相当于驱动信号增加27.5ns的延迟,而栅极电压在较小范围内的波动对IGBT的开关过程影响较小。 (5)以RCD电路经验公式为参考,通过数学及仿真分析,得到缓冲电容和缓冲电阻新的算法: (6)结合共线型处理室,对高压脉冲发生器放电回路进行分析,证明PEF杀菌过程中,准方波的能量利用率高于指数波;准方波和指数波工作时,食品的温升分别为:和ΔT=U02··Ce/0.82。将该结论应用到负载为共线型处理室的回路中,得出准方波和指数波的工作效率分别为和86.3%。 (7)最后通过实验证明本文所设计的基于64只IGBT串联的高压固态开关可承受30kV高压,所设计的高压脉冲发生器能够为PEF杀菌实验提供波形较为稳定的准方波脉冲。


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