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

1、針對國內(nèi)在應用于高壓脈沖電場(Pulsed Electric Fields，PEF)殺菌技術中高壓脈沖發(fā)生器研制水平較為落后的現(xiàn)狀，采用IGBT串聯(lián)技術，研究了IGBT串聯(lián)型高壓脈沖發(fā)生器的設計方法；結合PEF殺菌應用中脈沖及共線型處理室特征，設計了64只1200 V IGBT串聯(lián)的耐壓30 kV的固態(tài)開關；將該固態(tài)開關應用于高壓脈沖發(fā)生器，能輸出峰值30 kV、頻率及脈寬可調(diào)的準方波脈沖。主要研究內(nèi)容和結論如下：
　　 (1)

2、設計了基于DSP控制的、光纖耦合傳輸?shù)?、以M57962L為驅(qū)動器的64只IGBT的驅(qū)動電路及短路保護電路，其中驅(qū)動電路的信號最大延遲時間差不超過100ns，短路保護時間約為6.5μs。
　　 (2)分析了IGBT的開關過程及功率損耗，擬合了IGBT等效熱時間常數(shù)τj與等效熱阻Rjc的關系，證明IGBT在工作中存在結溫疊加；通過散熱分析，得到散熱器熱阻為Rfa=1.7℃/W。
　　 (3)以IGBT Hefner模型為研究

3、基礎，提取了該模型的IGBT物理參數(shù)，建立了IGW60T120的PSpice仿真模型；通過對比IGBT開關暫態(tài)過程中的實驗波形與仿真波形，證明所建立的模型具有較好的仿真精度，可應用于IGBT串聯(lián)電路仿真分析，輔助IGBT串聯(lián)電路的設計，預測IGBT串聯(lián)電路的工作狀態(tài)。
　　 (4)通過對IGBT串聯(lián)電路的開關延時分析，證明IGW60T120在平均工作電壓為600 V時，安全延遲時間不超過70 ns；對IGW60T120的柵極特性

4、進行數(shù)學及仿真分析，表明柵極電阻每增加5Ω，相當于驅(qū)動信號增加27.5 ns的延遲，而柵極電壓在較小范圍內(nèi)的波動對IGBT的開關過程影響較小。
　　 (5)以RCD電路經(jīng)驗公式為參考，通過數(shù)學及仿真分析，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)結合共線型處理室，對高壓脈沖發(fā)生器放電回路

5、進行分析，證明PEF殺菌過程中，準方波的能量利用率高于指數(shù)波；準方波和指數(shù)波工作時，食品的溫升分別為：△T=U02/0.41·(τ/RL+5.3·10-10)和△T=U02·Ce/0.82。將該結論應用到負載為共線型處理室的回路中，得出準方波和指數(shù)波的工作效率分別為{[2+(1-e-2)·(τcs/τ)]/[2+(τcs/τ)]}·100％和86.3%。
　　 (7)最后通過實驗證明本文所設計的基于64只IGBT串聯(lián)的高壓固態(tài)開