（农业电气化与自动化专业论文）基于计算机控制的高压脉冲发生器的研究.pdf

浙江大学硕= b 学位论文摘要 摘要 近年来，随着人t f j x , t 方便、营养和保健食品提出越来越高的要求，许多传统的食品加工方法 受到了新兴技术强有力的挑战。就灭菌领域而言，传统的灭菌方法为热灭菌。众所周知，热处理 对食品的营养、风味币i 色泽等外观品质方面有较大损害，还会造成加工过程中的些问题。因此， 寻求低温高效实j j i 的灭菌方法成为广大相关企业的共同心声。因而非热处理正得到人们越来越广 泛的关注，非热处理包括添加防腐剂抑制微生物、离一t l , 分离去除微生物、辐射处理杀灭微生物等。 高压脉冲电场杀菌是一种全新的非热处理杀菌方法，它是利用高强度脉冲电场对食品中的微生物 进行杀灭的一种技术，有杀菌时间短、效率高、能耗少等特点。 基于高压脉冲电场的广泛应用前景，本课题研制了一套基于计算机控制的完整的高压脉冲发 生器，用来产生脉冲宽度、脉冲个数、脉冲电压强度均可调节的高压脉冲电场，攻克了产生高压 脉冲电场的关键技术难题。 本课题的主要研究内容和研究结果如下： 1 、综述了国内外利用高压脉冲电场进行灭苗技术的研究进展，并指出了国内外研究所存在 的问题。 2 、本课题研制的高压脉冲发生器系统由主电路与控制电路二部分所组成。在主电路中，采 用全桥式逆变电路能很好地满足基于计算机控制的高压脉冲发生器的设计。同时在逆变电路中采 用绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 作为功率器件，其开关速度高，开关和通态时功耗小，饱和压降 低，安全工作区宽，无二次击穿现象，高压脉冲形成级采用定压大电流，快前沿、低抖动、长寿 命快速i g b t ，在设计上留有较大余量，确保运行可靠。 3 、在高压脉冲发生器的控制电路中，采用单片机技术，结合液晶屏等友好人机界面设计了 电路。同时，采用专用芯片s g 3 5 2 5 来产生脉宽调制电路，由i r 2 1 1 0 组成的驱动电路来驱动绝缘 门极双极晶体管( i g b t ) 。 4 、采用c 5 1 语言对下位机进行模块化结构编程，采用v i s u a lc + + 语言对高压脉冲发器系统 的上位机( p c 机软件) 编程，并实现了与下位机的即时通信功能。 关键词：高压脉冲电场处理室，单片机，1 g b t ，c 5 1 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so fc o n v i e n t ，n u t r i t i o u sa n dh e a l t h yf o o d ，m a u yt r a d i t i o n a lf o o d p r o c e s s i n gm e t h o d sa r es t r o n g l yc h a l l e n g e db yn e wt e c h n i q u e s a sf a ra si nt h ef i e l do f s t e r i l i z a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o di st h e r m a lp r o c e s s i n g a sw ea i lk n o w n ， t h et h e r m a lp r o c e s s i n gb r i n g sg r e a td a m a g e st ot h ea p p e a r a n c ea n dq u a l i t yo ff o o d ，s u c ha sn u t r i t i o n ， f a v o ra n dc o l o r ，a sw e l la so t h e rp r o c e s s i n gp r o b l e m s t h e r e f o r e ，l o w - t e m p e r a t u r e ，h i g h e f f e c t i v e m e t h o di sn e e d e d u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，n o n - h e m a ls t e r i l i z a t i o nb e c o m e sm o r ew i d e l yu s e d ， i n c l u d i n gt h ea d o p t i o no fa s e p t i c s ，d e l i m i n a t i n gm i c r o o r g a n i s m sb yc e n t r i f u g ea n dr a d i a t ep r o c e s s i n g - h i g hp u l s e de l e c t r i cf i e l di san e w l y - d e v e l o p e dn o n t h e m a ls t e r i l i z a t i o nm e t h o d ，w h i c hu t i l i z eh i g h p u l s e de l e c t r i cf i e l dt os t e r i l i z eb a c t e r i u m ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fs h o r tt i m e ，h i g he f f e c t i v ea n dl o w c n e r g yc o n s u m e - o w i n gt ot h ep r o m i s i n ga p p l i c a t i o no ft h eh p e f ，a l li n t e g r a t i v eh i g hv o l t a g ep u l s e dg e n e r a t o ri s d e v e l o p e d ，w h i c hp r o v i d e sc h a n g e a b l ep u l s e dw i d t ha n dv o l t a g ep u l s e di n t e n s i t y , a n dt h ek e yp r o b l e m s o fg e n e r a t i n gh i g hp u l s e de l e c t r i cf i e l d sa r es e t t l e da s ar e s u l t m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h i st h e s i sa r ea sf o i l o w s ： 1 、t h eh i s t o 匆o ff o o dp r o c e s s i n gb yh i g hp u l s e de l e c t r i cf i e l dd e v e l o p m e n ti sr e v i e w e d ，a sw e l la st h e c n r r c n tp r o b l e m s 2 、t h eh i g hp u l s eg e n e r a t o rs y s t e mc o n s t i t u t e st h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc i r c u i t i nt h em a i n c i r c u i t ，a nh b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i ti sa p p l i e dt os u f f i c et h ed e s i g no ft h eh i g hp u l s eg e n e r a t o r m e a n w h i l e ，i nt h ei n v e r t e rc i r c u i ti g b ti sa d o p t e da si t ss w i t c hc o m p o n e n t i t sa d v a n t a g e s ，s u c ha s f a s ts w i t c h i n ga n dl o we n e r g yc o n s u n l e ，a s s u r et h eh i g hc u r r e n ta n dl o wd i t h e r i n go fh i g hp u l s e g e n e r a t o ri nt h eh i g hp u l s eg r a d e 3 、i nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eh i g hp u l s eg e n e r a t o r ，m i c r o c o m p u t e ra l o n g sw i t hl c ds c r e e na r eu s e d t od e s i g nt h ef r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e s p e c i a lc h i p s ，s u c ha s8 g 3 5 2 5a n di r 2 1l oa r ea l s o u s e dt og e n e r a t ep w ma n dt od r i v et h ei g b t 4 、w i t hc 5 1l a n g d a g e ，t h es y s t e mr e a l i z e dt i l em o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m e ，i n c l u d i n gm a i np r o g r a m ， k e y s b o a r ds c a np r o g r a m ，l c dd i s p l a yp r o g r a m ，a n dc o m m u n i c a t i o no fs e r i a l s w i t h t h eu s eo f v i s u a lc + + l a n g u a g et ot h eh i g hv o l t a g es y s t e m t h es o f t w a r eo fp ca c t u a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e np ca u dt h ew h o l es y s t e m k e y w o r d s ：h i g hp u l s e de l e c t r i cf i e l d ，f o o dp r o c e s s i n g ，m i e r o c h i p ，i g b t ，c 5 1 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 传统的食品灭菌方法 灭菌是食品、生物、化： 、制药等行业中至关重要的工序之一。1 9 世纪中叶，法国科学家巴 斯德发现发酵和腐败都是微生物所为，并创立了巴氏消毒法，导致了人类社会的深刻变化，这是 现代医学雨i 生物学发展的重要里程碑其影响波及到人类生活的各个方面。自此蚍后，人们在微 生物方面开展了大量研究工作，关于微生物生长、代谢和死亡的机制与规律投各种灭菌工艺和技 术的研究一直是核心内容之一。人们研究的灭菌方法可分为化学法和物理法两大类，化学法是在 处理对象中加入化学物质，杀灭或抑制微生物生长，达到防腐保鲜的目的，这种方法对要求不高 且无需食用的产品比较实用，但在食品和药物中大量化学物质会危及人体健康，化学物质在食品 中长酬间残留是这种方法的最大弊病；物理法是采用各种物理手段进行灭菌，主要有热灭菌法、 膜滤法、微波法、c oy 射线辐照法、高静压法和强光法等等。 这些常规灭菌方法有以下渚多不足： 1 ) 热灭菌法需要对物料进行加热，且耗能、耗时，易破坏食品风味和形态，并带来副作用； 2 ) 化学消毒剂仅限于列环境、器皿等消毒，不能直接作用于食品上； 3 ) 紫外线穿透能力很弱，只对表面消毒有效； 4 ) 微波灭苗高效实用但升温电很高，据研究，其灭菌机理仍然主要是热作用； 5 ) c oy 射线辐照法由于其方便快捷，可先包装后灭菌，且可实现大宗处理，应用范围日益 扩大，广州近年来就建成了3 家大型的辐照中心，但这种技术在我国目前仍然处于限制使用的阶 段，其原因在于残留大，对食品损伤也大，我国有明文规定辐照食品必须在包装上标明“辐照食 品”，但目前大多数企业很少能做到这一点； 6 ) 膜滤法成本高，易堵塞膜孔； 7 ) 高静压强法主要是间歇操作，设备庞大，应用不方便，很难做到大宗处理； 8 ) 其他方法如强光处理和光触媒等方法仍然处于研究和试验阶段； 1 2 高压脉冲电场灭菌方法 1 2 1 高压脉冲电场的灭菌机理 2 0 世纪6 0 年代，学者s a l e 和h a m i l t o n “率先进行了高压电脉冲灭菌效果的研究，他们认为 电场强度和作用时间是影响电灭菌效果的两个最主要因素，并通过实验证明了产生灭菌作用的既 非电解产物也非热力学的原因。 高压电脉冲( i i e f p ) 处理能破坏细菌的细胞膜，改变其通性性。z i m m e r m a n n ( 1 9 7 4 ) “” 等人认为这可能是电场处理导致 r 电介质破坏。使用高压电场将细胞膜极化穿孔的过程叫i 电极 化。每个细胞内外都有一自然电位差，l - ) j u 电场时使得这一膜内外位差( 称为穿透膜电位简称t m p ) 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 增大，当t m p 高于1 v ( 生物细胞膜自然电位差) ，细胞破裂就发生了。这种破裂导致了细胞膜结 构紊乱、极的形成利垴透性的提高，通透性的改变可能是可逆的也可能是不可逆的，这主要取决 于电场强度e ，脉冲宽度和脉冲次数( 即处理时问) 。受到电场处理后，细胞膜等离子体变的能透 过小分子，渗入导致细胞膜膨胀，最后细胞膜破裂。如图1 1 所示细胞的失活性机制。 僳靼毛孔 i 电蛹 莓 、水 膨胀 一水流九、 国i i 细胞失活机理 细胞溶解 臆破裂 生物体都有自我愈合的能力，如果细胞能将形成的极自我缝合，那这种破裂是可逆的；如果 外加电场( e = e c ) 存在时间再长一点：或者超过了l 临界电场强度( e e c ) ，大量大尺寸的极就会形 成，细胞膜的机能就会破坏，此时的破裂就不司逆了。对通透性改变可逆的情况的研究表明，对 于特定处理，不同细胞种类在存活力、生长速度等方面有不同反应，这主要是由于不同细胞有不 同膜组织，不同膜特性( 比如表面特性或弹性等) 的缘故。 应用高压脉冲电场使液体介质中的微生物失活已有广泛研究。经过近4 0 年的探讨，主要形 成了以下几种代表性的观点： ( i ) h a m i l t o n 和s a l e ( 1 9 6 7 ) 认为当一个外部电场加到细胞两端时，就台产生跨膜电位( t m p ) “。对半径r 处于均匀场强e 中的球形来说，其沿电场方向的跨膜电位，可由下式得出： u ( t ) 一1 5 r e 式中u ( t ) 为沿电场方向的跨膜电位；r 为细胞半径( u r n ) ；e 为电场强度( k v r a m ) ，并且 认为当跨膜电位( t m p ) 达到1 v 左右时，细胞膜便失去功能。 ( 2 ) z i m m e m l a n n ( 1 9 8 6 ) 提出介电破坏理论，：根据该理论，细胞膜被视为电容，在高压电脉 冲作用下，膜两侧电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互吸引形成挤压力，当t m p 达到 1 v 左右，挤压力大于膜的恢复力i 对，膜就会破裂。 ( 3 ) t s o n g ( 1 9 9 1 ) 从液态镶嵌模型出发，提出电穿j l 理论。该理论认为，高压电脉冲会改 变腊肪的分子结构雨i 增大部分蛋白质通道的开度，使细胞膜失去半渗透性质，细胞膨胀而死。 1 2 2 高压脉冲电场的产生 高压脉冲电场的获得有两种方法。一种是利用特定的高频高压变压器来得到持续的高压脉冲 电场。因为变压时高频使变压器内部的电磁场的能量难以转化，高压又使磁芯发生涡流。用这种 原理制作大型设备将会有很多困难。一种是利用l c 振荡电路的原理，先用高压电源对一组电容 器进行充电，将电容器与一个电感线圈及处理室的电极相连，电容器放t t 目1 i t - 产生的高频指数脉冲 衰减波e l ij l j 在两个电极上形成高压脉冲电场。利用自动控制装置，对l c 振荡电路进行连续的充 电与放电，可以产生高压脉冲电场。 东 浙江大学顺士学位论文笫一章绪论 灭苗用的高压脉冲电场般的强度为15 1 0 0 k v c m ，脉冲频率为1 i o o k h ，放电频率为 l 2 0 h z “。每次建立电场过程中能量都会消耗一部分到极板间的介质中，所产生的电场为呈规 律衰减的高频振荡波。电场电压强度，场强与极板间的距离有关。极板的电导率与振荡波指数衰 减速率，波形有关。极板面积与介质中的电场均匀度有关。极板电导率与脉冲波的宽度有关。 1 2 3 影响高压脉冲电场灭菌的因素 实验研究表明，影响高压脉冲电场灭菌主要有以下几方面的因素“： 1 1 对象苗的种类：不同菌种对电场的承受力有很大的不同。无芽孢细菌较有芽孢细菌更易被 杀灭，格兰氏阴性菌较阳性菌易于被杀灭。在其它条件均相同的情况下用电场灭菌，霉菌、乳酸 菌、大肠杆菌、酵母菌等不同菌种的存活率由高到低排列。特别需要指出的是，对象菌所处的生 | 圭周期也对灭菌效果有一定的影响，处于对数生长期的菌体比处于稳定期的菌体对电场更为敏 感。 2 ) 菌的数量：纠f 究中发现，对菌数高的样品与菌数低的样品加以同样强度、同样时问的脉冲， 前者菌数下降的对数值比后者要多得多。 3 ) 电场强度：电场强度在各因素中对灭菌效果影响最明显，增加电场强度、对象苗存活率明 显下降。 4 ) 处理时间：灭菌时问是各次放电释放的脉冲日_ j 间的总和。随着灭菌时间的延长，对象菌存 活率开始急剧下降，然后平缓，逐渐变平，最后增加灭菌时间亦无多大作用。 5 ) 处理时的温度：随着处理温度上升( 在2 4 。c 6 0 。c 范围内) ，灭菌效果有所提高，其提高 的程度一般在l o 倍以内。 6 ) 介质电导率：由于介质的电导率提高，脉冲频率上升，因而脉冲的宽度下降。这样，电容 器放电时，脉冲数目不变，即灭菌脉冲时间下降，从而灭菌效果相应下降。介质电导率影响放电 时的脉冲强度和脉冲次数，如空气导电，则无脉冲产生。 7 ) 脉冲频率：提高脉冲频率，灭菌效果上升。原因是频率提高后，对应于每一次电容器放电 来说，具有更多的脉冲数目，因而指数衰减曲线的下降得到减缓。从而保证了更k 的灭菌处理时 间。 8 ) 介质的p h 值：在正常的p i - i 值范围内，对象菌存活率无明显变化。可以认为，p h 与高 压脉冲电场灭菌无增效作用。 同时研究又表明，影响高压脉冲灭菌的两个最主要因素是电场强度和脉冲作用时间。同时脉 冲波形、微生物的特征等对高压脉冲灭菌率电都有影响。 电场强度在各因素中对灭菌效果影响最显著，增加电场强度，对象菌存活率明显下降。 从菌的数量和种类来说，苗数高的样品与菌数低的样品加以i 司样强度，同样时间的脉冲，菌 数高的菌数下降的对数值要比菌数高的要多的多。如对鲜果汁灭菌的效果比对浓果汁要好。食品 常见菌中，相同条件下用电场灭菌，存活率由低到高为：酵母菌，大肠杆菌，乳酸菌，霉菌。 从处理时的温度和时问来说，随着处理温度上升( 在2 4 。c 6 0 。c 范围内) ，灭菌效果有所提 高。灭菌时间是各次放屯释放的脉冲时间的总和。随着灭菌时问的延长，对象葡存活率开始急剧 下降，然后平缓，逐渐变平，最后增加灭菌时间亦无多大作用。 浙江大学碳：l 学位论文第一章绪论 从介质电导率、脉冲频率来说，由于介质的电导率提高，脉冲频率上升，因而脉冲的宽度下 降。这样，电容器放电时，脉冲数目不变，即灭菌总时间下降，从而灭菌效果相应下降，介质电 导率影响放电时的脉冲强度和脉冲次数，如空气导电，则无脉冲产生。提高脉冲频率，灭菌效果 上升。原因是频率提高后，对应于每一次电容器放电来说，具有更多的脉冲数目，因而指数衰减 曲线的下降得到减缓。从而保证了更k 的灭苗处理时间。 1 2 3 高压脉冲电场灭菌的特点与优点 高压脉冲电场灭菌的原理是在两个电极问产生瞬间高压，以脉冲电场作用于食品。灭菌一般 在常温下进行，处理时间为几十毫秒。这种方法有两个特点，一是由于灭菌时间短，处理过程中 的能耗远小于热处理法。二是由于在常温、常压下进行，处理后的食品与新鲜食品在物理性质、 化学性质、营养成分上改变很小，风味、滋味无感觉出来的差异。灭菌的效果明显( n n o - 2 q g ( v c c 。1 0 1 5 ) 。q g 为i g b t 充分导通所需的栅电荷。本实验经计算并进c 】= i o u 且耐压大 于3 5 v 的钽电容。 自学二极管应能阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之和。为 了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的快恢复二极管。本系统中选用f r l 0 7 。 2 2 浙江大学硕士学位论文第三章高压脉冲发生鞯硬件的研究 由于i g b t 的直流阻抗很高，关断时会产生尖峰电压，严重时会击穿i g b t 管，因此在栅极 串联一小电阻r 1 0 ，以增加i g b t 的通断时间并在栅极、发射级间并接一较大电阻r 1 1 ，以防 i l 高压干扰引起的1 g b t 误导通，造成同臂连通短路。 3 3 4 串口接口电路 在本系统没计中，上位机与下位机之间数据传输的数量比较少，所以我们在设计时硬件上采 用3 线制r x dt x dg n d 软握手的零m o d e m 方式，即将p c 机和单片机的发送数据线t x d 与 接收数据r x d 交叉连接，二者的地线g n d 直接相连，而其它信号线如握手信号线均不用。采 用软件握手这样即可以实现预定的任务又可以简化电路设计节约了成本。 但由于r s 2 3 2 c 是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电对地是对 称的，与t t l m o s 逻辑电平完全不同，逻辑0 电平规定为+ 5 - - + 15 v 之问，逻辑1 是电平为 一5 一1 5 v 之间。因此在将p c 机和单片机的r x d 和t x d 交叉连接时必须进行电平转换1 。 图3 - 1 3 单片机与串口连接图 在上图3 - 1 3 即为通信时的硬件连接图，其中器件h i n 2 3 2 完成逻辑电平转换的任务。电容 c l c 5 可都取1 0 u f 。 在硬件电路的没汁过程中，主要是要比较模块的实验方案，并调节各个模块的相对应的参数。 各个模块的方案的选定在上述论述中都已经涉及过了，f 丽主要来析一下系统凋试过程中出现的 一些问题及解决方法。在本系统的设计过程中主要利用美国泰克公司生产的t d s 2 1 0 数字存储示 波器以及p 6 0 1 5 ( 1 0 0 0 ：1 ) 高压探头来测量输出高压脉冲的波形和大小。 3 3 系统主电路研究 直流到交流之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置称为逆变器。高压脉冲发生器中逆变 浙江大学砸士学位论文 第三章高压脉冲发生器硬件的研究 器又是核心部分，它直接扶定了系统的性能，：l 作效率以及可靠性，可以说是高压脉冲发生器的 “心脏”。 3 2 ，1 系统主电路的拓扑结构 我们研究设计的高压脉冲发生器的主电路的拓扑结构如图3 一1 4 所示。 图3 - 1 4 主电路拓扑结构 处理室 在上图中，处理室即为负载，可等效为电阻和电容的并联。在本系统中利用2 2 0 v 交流电进行 滤波、整流，通过储能电容c l ，并使用一定的工艺可使其输出电压v d d 达3 0 0 v 左右。在本系统 中开关器件选用绝缘栅双极晶体管i g b t ，i g b t 的工作特性是有陡峭的上升沿和下降沿，而且 较容易控制。利用4 个i g b t ( v 1 0 、v 2 0 、v 3 0 、v 4 0 ) 组成一个全桥拓扑结构可获得双极性高压 脉冲。然后再利用特制的脉冲升压变压器t l 剥i g b t 输出的高精度脉冲波形进行升压，从而作用 于处理室( 即负载) 中。在此主电路中，主要的是由4 个i g b t 组成的桥式逆变电路以及脉冲升压 变压器t 1 的设计。 3 2 2 逆变器电路结构的确实 刁i 逆变器主电路结构主要有推挽式、全桥式、半桥式，单端式等几种形式”“ 4 0 j ，如下图3 - 3 所 a 推挽式逆变电路结构 2 4 b 单端式逆变电路结构图 r 浙江大学硕二b 学位论文第三章高压脉冲发生器硬件的研究 c 半桥式逆变电路结构 图3 1 5 各种逆变电路结构 d 全桥式逆变电路结构 1 、推挽式 电路结构如图3 1 5 ( a ) 所示，功率开关管v t i ，v t 2 由基极驱动电路以脉冲方式激 励而交替通断，输入直流电压被变换成中频方波交流电压，该电路的优点是：a 中频变压器上直 接施加输入电源电压，因而，只用两个功率开关管便能获得较大的功率输出。b 一对功率开关管 直接相连，两组基极( 门极) 驱动电路彼此无需绝缘。该电路的缺点是：a 在功率管截止时，奖 承受两倍的电源电压，再加上暂态过程中的失峰电压，给功率开关管的选择带来困难。b 一次绕 组只有一半时间工作，中频变压器的利用率差。因此在目前的逆变电源中己很少采用。 2 、单端式按中频变压器二次侧整流二极管连接方式的不同，单端又可分为单端反激逆变 电路和单端正激逆变电路两种。单端正檄逆变电路如图3 1 5 ( b ) 所示。单端式逆变电路的优点是： a 电路形式简单，所需元件少。b 驱动电路简单。缺点是：g 单端式逆变电路中是频变压器二 次侧续流二极管流过的电流较大，因而二极管的恢复时间较长。b 二次电路的频率等于主振频率， 是双端电路叫的一半，因而单端逆变电路输出滤波器的体积奖增大。c 中频变压器磁芯仅工作在 磁滞回线的一侧，效率和利用率低，因而单端式逆变电路结构只适用于小功率输出电源。 3 、半桥式半桥式逆变电路结构如图3 15 ( c ) 所示。与全桥式电路相似，但只是功率开关管 只有两个，另外两个由电容器c 1 ，c 2 取代。其优点是：a 功率管导通时，截l e 管上施加的电压 大致和输入电源电压相等，功率管由转为截止的关断过程中，漏感引起的尖峰电压亦被二极管箝 位，功率开关管上承受的最高电压不超过电源电压。b 功率管的数量只有全桥的一半，驱动功率 也小。c 抗不平衡能力强，提高工作可靠性。缺点是：a 中频变压器上施加的电压幅值只有输 入电压的一半，欲得到和全桥式相同的功率。功率开关管必须流过两倍的电流。b 电流脉冲的顶 部倾斜较大。 4 、全桥式全桥式逆变电路如图3 15 ( d ) 所示。功率开关管v t i ，v t 2 ，v t 3 ，v t 4 1 h 成桥的四 臂，中频变压器t 1 连接在它们中间，相对桥臂上的一对开关管v t l ，4 和v 1 - 2 ，v r 3 由驱动电 路以脉冲方式激励而交替通断，将直流输入电压变换成中频方波交流电压。全桥式电路的优点是： a 功率开关管稳态叫其上最高施加电压即为输入电压，暂态过程中的尖峰电压亦被筘位于e ，比 起推挽式逆变电路来要低一半还多，这就为开关管的选择带来了方便。b 箝位二极管将漏感储能 还给输入电源，有益丁- 提高效率。缺点是元器件较多，电路复杂。 上述四种电路之间的技术性能比较如下表l 所示： 浙江大学硕士学位论文第三章高压脉冲发生器硬件的州究 表i 逆变器电路结构的比较 类型推挽式单端式 半桥式全桥式 项目 开关管的受压 2 v 1v 1v lv l 相同输出功率时集电极电流 j ci c2 1 ci c 相同集电极电流时输出功率 p op ol 2 p o p o 变压器上电压v tv tl 2 v tv t 开关管数量 2l 2 4 门极驱动功率中 小 由 大 电路元件数量 由 少 d 多 复杂程序中简单 d 复杂 抗不平衡能力差差强 变压器利用率 由 差中 好 电路复杂程序 由 简单 巾 复杂 输出容量 大小 中 大 由于全桥式逆变电路相对于别的电路的优点，在本系统中我们采用了由4 个i g b t 所组成的全 桥式逆变电路。虽然其电路相对复杂一点，但其输出功率较大，避免了在杀菌过程中由于系统功 率的不足而使脉冲电压下降的可能。 3 2 3 功率开关器件的选择 对工作在逆变电路中的功率器件，一般有如下基本要求：a 耐电压值高，通常要在数百伏以 上( 甚至上千伏) 。b 开关速度快，减少开关损耗。c 动特性d i d t h d v d t 的而量要高。d 而冲击 电流大，可靠工作范围大。e 热稳定性能好。 目前国内外应用比较广泛的功率器件主要有：快速品闸管( s c r ) ，大功率晶体管( g t r ) ， 场效应管( m o s f e t ) 和绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 。它们的技术性能比较如下表2 所示。 表2 功率器件的技术性能比较 泛 s c rg t rm o s f e ti g b t 导通难易及方法 一般难容易容易 g k 问加触发电压b e 问加驱动电流g s 间加驱动电压g e 问加驱动电压 关断难易及方法 难 一般容易容易 a ki 司m 反i 乜压b e 间加反电流g s 问加反电压g e 间加反电压 驱动电路功率中、一般功率大、复杂功率小、简单功率小、简单 正向饱和压降小中大中 功耗小中大中 开关速度慢中快快 工作频率2 3 i ( h z 1 0 k h z3 0 k h z2 0 k h z 浙江大学硕士学位论立 第三章高压脉冲发生器硬件的研究 从表中可见，i g b t 具有优良的电子开关性能，它电压驱动，开通容易，判断也容易，开关速 度高，单个器件载流容量大，电流密度高，开关和通态时功耗小，饱利压降低，安全：( 作区宽， 无二次击穿现象。另外，输入阻抗高，驱动电路功率小且简单，是目前较为理想的功率开关器件， 所以在本系统中功率开关器件选用i g b t 。 3 2 4i g 盯吸收电路的研究 为了使1 g b t 判断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给i g b t 电路设置 关断缓冲吸收电路。i g b t 的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻i l 型。充放电型有r c 吸 收和r c d 吸收2 种，如下图3 1 6 所示： ，。 ，m ar c 型br c d 型 图3 - 1 6 充放电型i g b t 缓冲吸收电路 r c 吸收电路因电容c 的充电电流在电阻r 上产生压降，会造成过高的过冲电压。r c d 吸收 电路因二极管旁路了电阻r 上的充电电流克服了过冲电压较高的缺点。r c 吸收及r c d 吸收电 路因直接并联在i g b t 的c 、e 极两端，i g b t 关断时吸收电容c s 的电压从零开始上升因而具有 较好的过电压吸收效果。使得1 g b t 关断时的电流、电压的运行轨迹靠近电流、电压坐标轴提高 了i g b t 关断时的安全性，降低了它的关断损耗。但电阻rs 需承受电容c s 从零电压开始充放电的 电流，使它的功耗较大，当运行频率较高时，会严重影响装置的运行效率。 r c 吸收电路因电容c 的充电电流在电阻r 上产生压降，还会造成过冲电压。r c d 电路因用 二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。 图3 - 1 7 是三种放电阻止型吸收电路。放电阻止型缓冲电路中吸收电容c s 的放电电压为电源 电压，每次关断前，c s 仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。 因电容电压在i g b t 关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如r c d 型充放电型。 浙江大学颂= e 学位论文 筇三章高压脉冲发生器碰件的研究 al c 型brl c 型crl c d 型 图3 一】7 三种放电阻止型吸收电路 从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗较小。 对缓冲吸收电路的要求是： 1 1 尽量减小主电路的布线电感工l a ； 2 ) 吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，晶好直接接在 g b t 的端子上： 3 1 吸收二极管应选用快开通和快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的 振荡过电压。 在系统的试验设计过程中，我们首先采用的是没有i g b t 吸收电路。得到脉冲变压输出的波 形如下图3 一1 8 所示： 图3 一i8 没有吸收电路时的输i = | 波形 这个输出波形比较接近于指数波波形，对食品灭菌的效果不太好。于是我们在原研究的基础 上加上了r c 吸收电路，如图3 1 7 ( a ) 所示。我们调节r c 电路的各个参数，当r 取1 0 k w ， c 取1 u f 5 0 0 v 电容时，其输出的波形图如3 1 9 ( a ) ，通过实验试汁其晟理想状态为当r 取1 k 1 0 w 电阻，c 取1 0 u f 5 0 0 v 电容时，其输出的脉冲波形如下图3 一1 9 ( b ) 所示。 a r = l o k l w ，c = l u f 5 0 0 vbr - 1 k 1 w ，c = 1 0 u f 5 0 0 v 图3 - 19 采用r c 吸收电路时的辅出波形 2 8 戡，e k 诧鸷 碍k ， 0 厂丁上t，上 一 一蹿 僻k l 孙小 一 一 “孙 i i j f 江大学顺二匕学位论文第三章高压脉冲发生器硬件的研究 为了克服i g b t 电路中的过冲电压，我们在r c 电路中加了一个快速二极管f r l 0 7 ，用于旁 路电阻上的充电电流。综台了各方面的因素，我们选用并设计了如下图3 2 0 的r c d 吸收电路。 在开关管i g b t 上并联一电阻r 1 2 和一电容c 4 ，r 1 2 、c 1 0 、d 1 1 组成吸收电路。当电压大 于其反偏安全： 作区时，电压抑制电路使开关： 作点控制在安全区内。d 1 1 为续流二极管，其开 通与否墩次于栅极控制信号。c 1 0 = l c ( c 什c f ) u c e( 其中i c 为i g b t 关断的最大集电极电流； u c e 为i g b t 的峰值电压；t r 为最大集电极上升时间；i f 为最大集电极下降时间) 在满足频率的情况下尽量取r 4 大，一般取r 1 2 = 4 v d d 。所以当最r 1 2 值较大，c 1 0 值较小 时，则c 1 0 上贮存电能较少，i g b t 开通过程中的尖峰较小，维持时问也较短，减少了开通应力， i g b t 可安全运行。 v d d v 1 v 2 图3 2 0 i g b t 吸收电路 采用r c d 吸收时，其输出的脉冲电压波形如下图3 2 l 所示 ar = 1 0 k ( 1 - lu f br _ i kc = 1 0 u f 图3 2 1 采用r c d 吸收电路时的输出波形 上图是以输出脉冲电压为1 5 k v ，高电平宽l m s 的脉冲波形为例。当最r = i o k ，c = i u f 时输 出的脉冲波如图3 - 9 图( a ) 所示，此时在电路中高电平脉冲的波动较大。通过实验试计其最理想 状态为当r 取i k 1 0 w 电阻，c 取1 0 u f 5 0 0 v 电容时，其输出的脉冲波形如下图3 - 9 ( b ) 所示。 在是分别在没有吸收电路、采用r c 吸收电路、采用r c d 吸收电路时输出的高压脉冲波形。由 图中可咀看出，该脉冲波的上升沿较窄，但其下降沿较宽，而且高电平持续时间较指数形脉冲波 好，符合了高压脉冲灭菌的基本要求。 浙江大学硕士学位论文 第三章高压脉冲发生器硬件的耐f 究 从上面的三个幽中可分析出，i g b t 吸收电路对输出脉冲的波形影u r a j - l i ：常的大。如果没有吸 收电路，输出波形接近于指数波形，虽然其上升沿时间很短，但其下降b , i l 0 3 j 快，中间没有高电 平脉宽，对食品灭卤效果不太好。采用r c 吸收电路时，由于尖脉冲在r c 电路中消耗了，所以 其波形较指数波好。当采用r c d 吸收回路时，利用一映速二极管旁路电阻上的充电电流，从而克 服过冲屯压，这样输出的波形有点接近于矩形波，对食品的灭菌效果较好。而当采用放电阻止型 吸收电路，电路结构较复杂，而且输出波形的效果不太好。所以本系统采用了该r c d 吸收回路。 下图3 2 2 是输山脉冲电压幅值为1 8 k v ，高电平脉宽为o5 m s 时的脉种波形。其中1 图是2 中其中一个脉冲波的放大。由图中- j 以看出，该脉冲波的上升沿较窄，但其下降沿较宽，而且高 电平持续时问较指数形脉冲波好，符合了高压脉冲灭菌的基本要求。 0 鹾 一卜 硬 ” ：j j ” l ；。一_ r 0 ，二一 a 高屯平脉宽o5 m s p _ _ 。陬- - - l _ - 0 一一；一i 劂。一 隧 脚刘豳爿i 烈瓤 图3 2 2 输出矩形脉冲波 3 2 5 高压脉冲升压变压器的研究 a 高电平脉宽09 m g 高压脉冲升压变压器是本系统的关键器件之一，其性能好坏不仪影响变压器本身的效率、发 热，而且还会影响到高压脉冲电源的技术性能和可靠性。在设计高压脉冲升压变压器时，必须全 面地考虑对变压器性能产生影响的因素，如材料的选择、磁通密度和铁损的限制、制造工艺等。 脉冲变压器的设计主要考虑响应特眭，保汪波形失真j j 、。由于该变压器二【作于2 0 k h z 的高 频电压f ，为降低铁耗，本变压器采用铁基超微晶合品c 型铁：卷，该铁芯：( 作频率高，可大干 1 0 0 k h z ；饱垌l 磁感应强度可达1 2 5 q ，铁损小。根据该铁芯的制造公司提供的技术参数及本变压 器的容量求得所需铁芯面积为a e = 2 1 4 2 3 5 = 1 0 1 8 c m 。实际选用铁芯有效面积为1 0 7 2 c m 的 超微晶台晶铁芯。为了减少漏感和高频趋肤效应，变压器的初级及次级均采取并联绕制形式。线 圈参数训算如下： a 变压器的初级电感量l p ： 肋一v1h*jflqax ! ! ! ：! 兰：0 i 溉h 仞4 厂 5 54 2 0 + 1 0 0 0 3 0 浙江大学顺： 学位论文 第三章高压脉冲发生器硬件的研究 b 初级线圈匝数n 1 ： 1 ：丝! 垒! ! ! ：! ：! ! ：! ! ：! ! ! ! ! ! ：1 1 3 a c b m a x1 0 7 2 0 5 系统中实际取1 2 匝 c 次级线圈匝数n 2 ： 2一ni(vo+vd)(1-smax) 2 0 7 3 7 v i n m a x 万m a x 系统中实际取2 0 7 4 匝 d 气隙长度l g ： 系统中实际取1 6 r a m = 1 5 6 m m 3 型一 筹 驴 浙江大学硕= l 学位论文第四章高压脉冲发生器系统软件设计 第四章高压脉冲发生器系统软件设计 基于计算机控制的高压脉冲发生器系统软件是与其硬件密切结合在一起的，系统软件包括系 统功能的实现并| ：i 用户界面的驱动从而满足用户多方面的需要。下面具体来介绍一下本系统的软 件发汁。 4 1 系统软件总体设计 系统软件主要负责下位机的相关用户操作及显示功能，其主要包括系统程序、键盘扫描、液 晶显示、r s 2 3 2 串口通信和数据存储的各个功能模块的编写。 圈4 - l 系统软件总体结构图 如上图4 1 所示为本系统软件的总体结构图： 系统主程序( m a i nc ) 主要包括单片机系统的初始化和液晶屏界面( 在i n t e r f a c e c 程序中描述) 之 间的各种切换。 液晶屏的驱动，显示都在液品显示程序( l c d c 1 中描述，同时可供别的程序调用。键盘扫描 程序( k e y s c a r l ) f 1 来扫描系统中键盘的按键情况，供各界面程序调用。 一旦键盘中有按键按下，该程序返回当前的按键值，同时还有软件去抖动功能。 因为系统不带1 2 c 总线，而a i 、2 4 0 2 需要接在1 2 c 总线上的，所以在本系统中采用软件模拟 1 2 c 总线技术，在数据存储单元( 1 2 cc 1 中包括了对1 2 c 总线的各种操作，如读数据、写数据等等。 3 2 浙江大学硕士学位论文第心章高压脉冲发生器系统软件i f ； 计 通信软件模块主要描述的是单片机与上位机p c 机之间的接口程序。p e 机通过串行1 3 向单片 机发送数据，单片机需要从i o 口中读取从m a x 2 3 2 转换后的数据。通信程序也包括了对串口的 读操作和写操作。 由于本系统的实现的各种功能由各个不同软件模块所实现的，所以本程序结构化好，方便程 序的修改，更便于移植。 4 2 软件开发工具的选择 在m c u 上开发软件，以前主要使用的是汇编语言。汇编语言有编译效率高，执行数度快等 优点，但是汇编语言并不是一种结构化语言，他编写的软件可读性、可扩展性和维护性都比较差， 并且开发周期长。 c 语言是一种通用的计算机程序设计语言，它既有高级语言的各种特征，又能直接操作系统 硬件，而且可以进行结构化程序设计，用c 语言编写的程序很容易移植。 a t 8 9 c 5 5 有多种c 5 l 的编译器支持，经过k e i l f r a n k l i n 、a r c h m e a d s 、i a r 、b s o y a s k i n g 等 公司艰若不懈的努力，c 5 l 于9 0 年代开始渐趋成熟，成为专业化的m c u 高级语言了。过去蚝 期困扰人们的所谓高级语言产生代码太长，运行速度太慢，因此不适台单片机使用的致命缺点在 很大程度上得到克服。目前c 5 1 语言的代码长度已经傲到了汇编水平的1 2 15 倍，4 k 字节以 上的程序c 语言的优势更能得到发挥，至于执行速度的问题，只要有好的仿真器的帮助，找出 关键代码，进一步用