[發明專利]脈沖電場處理食品用高壓脈沖電源

無效

• 申請號: 200910109993.5
• 申請日: 2009-11-04
• 公開（公告）號: CN102055362A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 張若兵;王黎明;關志成;賈志東;陳杰;莫孟斌
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: H02M7/48
• 分類號: H02M7/48;A23L1/025
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標代理有限公司 44257
• 代理人: 王鎖林;李保明

技術領域

本發明屬于食品高壓脈沖電場非熱處理領域，提供了一種雙極性陡前沿方波高壓脈沖電源系統。

技術背景

利用高壓脈沖電場處理食品是一個跨食品工程和電氣工程兩門學科的課題，國外針對這個課題開展的研究比較早，應用也比較成熟，目前已有中小規模的商業化應用。然而，國內的研究開展的比較晚，技術進步也比較慢，其主要原因是高壓脈沖電源的研制技術困難。目前用于食品處理的高壓脈沖電場裝置按照脈沖電壓的波形劃分主要分為指數衰減波和方波，每種波形都有單極性和雙極性兩種形式。國外的研究表明，方波比指數衰減波的處理效果更好，而且雙極性波形比單極性波形可以更好減少電極腐蝕，防止處理食品受到污染。然而，方波電源的研制比指數衰減波困難，而雙極性比單極性對電源結構的要求更加復雜。

雙極性方波電源的研制思路可以分為兩種。一種思路是先產生低壓脈沖，經脈沖變壓器升壓后變成高壓脈沖；另外一種思路是，先產生高壓直流電源，然后經由開關器件產生高壓脈沖。由于高壓脈沖的電壓等級一般大于10kV，致使后一種實現雙極性方波的思路實現起來會對開關器件造成很大的壓力。國外在這一思路上的研究比較先進，比如美國的Diversified?Technology公司研制出能夠有效開關150kV，70MW的IGBT模塊組，該模塊組采用16個IGBT串并聯。然而，國內IGBT串并聯技術不成熟，無法開發出適用于工業化生產的IGBT串并聯模塊組。對于前一種思路，國外的技術比較成熟，已經有了中小型的工業化應用裝置。這其中以美國俄亥俄州立大學的OSU系列為代表，這些裝置采用脈沖變壓器把低壓脈沖變換成高壓脈沖，以減少對IGBT控制開關的壓力。在國內，清華大學深圳研究生院率先開發出陡前沿雙極性方波電源，輸出的電壓等級達到25kV以上。

對于經由脈沖變壓器升壓的高壓脈沖電源，由于脈沖變壓器自身對負載要求匹配，在高壓脈沖電場處理食品時對食品電氣參數的要求非常嚴格。由于不同食品的電導率相差很大，致使脈沖變壓器的等效負載電阻能相差數十倍。等效負載電阻的變化會嚴重影響雙極性方波的波形，使得最終施加到食品上的電壓波形發生嚴重畸變。這給高壓脈沖電場處理食品的研究帶來誤差。因此，國外在開發用于食品處理的雙極性方波高壓脈沖電源時，會首先明確處理食品的電導率等電氣參數。然而，對處理食品電導率等電氣參數的要求，限制了一套高壓脈沖電源的使用范圍，是制約高壓脈沖電場處理食品應用的瓶頸。

對高壓脈沖電場處理食品的研究，主要集中在對微生物的滅活作用和對酶的鈍化作用。與此同時，國內開展了利用高壓脈沖電場對酒類進行催陳和對液態食品中的農藥進行降解的研究。這些對液態食品的處理基于電場促進化學反應的原理，大大擴寬了高壓脈沖電場在食品中的應用領域。前期的研究表明，電壓波形的上升時間是反應發生的一個重要參數。然而，由于脈沖變壓器設計制作原因，現有許多脈沖電源上升時間一般在uS數量級，很難達到nS數量級。對于大變比的脈沖變壓器，這種現象更為突出。

以往基于磁開關的脈沖陡化和磁壓縮理論往往適用于指數衰減波，這主要是因為指數衰減波相對容易獲得，而針對方波的脈沖陡化理論及其實踐活動并未見相關報道。

發明內容

本發明的目的是克服已有技術的上述缺陷和應用瓶頸，提供一種脈沖電場處理食品用雙極性方波高壓脈沖電源，以擴大同一套高壓脈沖電源的應用范圍，拓展高壓脈沖電場處理食品的應用領域。

本發明提供的脈沖電場處理食品用高壓脈沖電源，包括一個低壓脈沖產生裝置和一個升壓的脈沖變壓器，其特征在于：所述低壓脈沖產生裝置是雙極性方波脈沖產生裝置，所述脈沖變壓器的次級繞組連接陡化電路，用于陡化脈沖變壓器輸出的高壓雙極性方波脈沖的上升沿，該陡化電路包括與脈沖變壓器的次級繞組并聯的補償脈沖電容器組、以及與該次級繞組串聯的磁開關組。低壓脈沖產生裝置產生低壓雙極性方波脈沖，經過脈沖變壓器升壓后，形成高壓雙極性方波脈沖，再經過由脈沖補償電容組和磁開關組組成的陡化電路后，形成陡前沿的高壓雙極性方波脈沖。

其中，低壓脈沖產生裝置可以采用以下結構，包括：

一個儲能電容器及接于其兩端的一個直流充電電源；

脈沖變壓器的兩個相位相反的初級繞組，它們分別與儲能電容器串聯，構成儲能電容器的兩個放電回路；

兩個電力電子開關，分別設在儲能電容器的兩個放電回路中；以及，

一個控制器，與所述兩個電力電子開關的控制極連接，控制兩個電力電子開關交替導通，以控制所述兩個放電回路交替給儲能電容器放電，從而通過所述兩個初級繞組向脈沖變壓器輸入低壓雙極性方波脈沖。

低壓脈沖產生裝置也可以采用以下結構，包括：