用于高壓脈沖電場(chǎng)殺菌的IGBT串聯(lián)型高壓脈沖發(fā)生器研究.pdf

1、針對(duì)國(guó)內(nèi)在應(yīng)用于高壓脈沖電場(chǎng)(Pulsed Electric Fields，PEF)殺菌技術(shù)中高壓脈沖發(fā)生器研制水平較為落后的現(xiàn)狀，采用IGBT串聯(lián)技術(shù)，研究了IGBT串聯(lián)型高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法；結(jié)合PEF殺菌應(yīng)用中脈沖及共線(xiàn)型處理室特征，設(shè)計(jì)了64只1200 V IGBT串聯(lián)的耐壓30 kV的固態(tài)開(kāi)關(guān)；將該固態(tài)開(kāi)關(guān)應(yīng)用于高壓脈沖發(fā)生器，能輸出峰值30 kV、頻率及脈寬可調(diào)的準(zhǔn)方波脈沖。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 (1)

2、設(shè)計(jì)了基于DSP控制的、光纖耦合傳輸?shù)?、以M57962L為驅(qū)動(dòng)器的64只IGBT的驅(qū)動(dòng)電路及短路保護(hù)電路，其中驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)最大延遲時(shí)間差不超過(guò)100ns，短路保護(hù)時(shí)間約為6.5μs。
　　 (2)分析了IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程及功率損耗，擬合了IGBT等效熱時(shí)間常數(shù)τj與等效熱阻Rjc的關(guān)系，證明IGBT在工作中存在結(jié)溫疊加；通過(guò)散熱分析，得到散熱器熱阻為Rfa=1.7℃/W。
　　 (3)以IGBT Hefner模型為研究

3、基礎(chǔ)，提取了該模型的IGBT物理參數(shù)，建立了IGW60T120的PSpice仿真模型；通過(guò)對(duì)比IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形，證明所建立的模型具有較好的仿真精度，可應(yīng)用于IGBT串聯(lián)電路仿真分析，輔助IGBT串聯(lián)電路的設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)IGBT串聯(lián)電路的工作狀態(tài)。
　　 (4)通過(guò)對(duì)IGBT串聯(lián)電路的開(kāi)關(guān)延時(shí)分析，證明IGW60T120在平均工作電壓為600 V時(shí)，安全延遲時(shí)間不超過(guò)70 ns；對(duì)IGW60T120的柵極特性

4、進(jìn)行數(shù)學(xué)及仿真分析，表明柵極電阻每增加5Ω，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)增加27.5 ns的延遲，而柵極電壓在較小范圍內(nèi)的波動(dòng)對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程影響較小。
　　 (5)以RCD電路經(jīng)驗(yàn)公式為參考，通過(guò)數(shù)學(xué)及仿真分析，得到緩沖電容和緩沖電阻新的算法：CS≥一td/RL[ln(n-k)-In(n-1)]、UCE(max/IC(max)-IL(max)≤RS≤τ-td/Cs·lnk。
　　 (6)結(jié)合共線(xiàn)型處理室，對(duì)高壓脈沖發(fā)生器放電回路

5、進(jìn)行分析，證明PEF殺菌過(guò)程中，準(zhǔn)方波的能量利用率高于指數(shù)波；準(zhǔn)方波和指數(shù)波工作時(shí)，食品的溫升分別為：△T=U02/0.41·(τ/RL+5.3·10-10)和△T=U02·Ce/0.82。將該結(jié)論應(yīng)用到負(fù)載為共線(xiàn)型處理室的回路中，得出準(zhǔn)方波和指數(shù)波的工作效率分別為{[2+(1-e-2)·(τcs/τ)]/[2+(τcs/τ)]}·100％和86.3%。
　　 (7)最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)的基于64只IGBT串聯(lián)的高壓固態(tài)開(kāi)