一种低成本大功率双极性高压脉冲发生器，包括：控制信号发生模块、固态开关驱动电路、双极限高压脉冲发生器和负载；本发明专利技术提出了基于优化型H桥及脉冲变压器的双极性脉冲高压发生器。仅需要一级H桥电路输出一定幅值电压，利用脉冲变压器升压单元对电压进行提升，从而达到高压脉冲发生器的设计指标。本发明专利技术可实现高幅值双极性脉冲电压电流波形输出。本发明专利技术提出的优化型H桥电路拓扑可在固态开关过流时短时间抑制电流的急剧上升，从而保护固态开关。本发明专利技术提出的脉冲变压器的漏感小，优化脉冲电压波形前沿，使得脉冲电压波形具备快上升沿。本发明专利技术提出的脉冲发生器具备脉冲电压、脉冲宽度、脉冲频率、正负极性间距灵活可调的特点。正负极性间距灵活可调的特点。正负极性间距灵活可调的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种低成本大功率双极性高压脉冲发生器
[0001]本专利技术涉及脉冲功率装置应用领域，具体是一种低成本大功率双极性高压脉冲发生器。
技术介绍
[0002]随着脉冲功率技术的深入发展，脉冲功率装置的应用领域逐渐由国防军工领域开放至生物医疗、食品杀菌处理、等离子体放电等民用领域。在食品杀菌处理处理领域，利用高场强施加在细菌上，造成细胞的不可逆电穿孔，从而杀灭细菌。这一技术由于具备高杀菌效果、低发热特性而被广泛研究。在这一领域，对于脉冲功率装置的需求较为严苛。为了保证工业上的处理量与处理效率，脉冲发生器的输出电压幅值高，输出脉冲宽度长，输出频率高。同时，由于液态食品负载的阻抗偏低，脉冲电流高。因此，脉冲发生器的等效平均功率需求高，在kW级别以上。这都对脉冲发生器的设计与研制提出了挑战。
[0003]在液态食品杀菌领域，液态食品物料由于自身的非纯净性特点可视为电解质溶液。金属电极与之接触时会发生原电池反应，即电极腐蚀。金属离子会进入食品物料。为保证食品安全，在食品加工过程中，金属离子浓度需低于一定标准值。双极性脉冲发生器可输出双极性脉冲电压电流波形，其极性的来回切换在很大程度上抑制了电极腐蚀过程，保证了加工处理过程中的食品安全。同时，根据相应研究，双极性脉冲电压产生的交变应力作用于细胞时，细胞膜结构疲劳损伤会加剧，不可逆电穿孔效果增强，其杀菌效果大幅提升。
[0004]传统双极性脉冲高压发生器对于固态开关的需求量大，成本大大提升。且由于本技术对于输出平均功率需求大，器件数量众多，设备设计程度复杂，散热管理设计难度大幅提升。传统的高压脉冲发生器采用双Marx型电路拓扑方案或级联型H桥拓扑方案。两者都是单级输出一定电压，利用级数堆叠提升脉冲发生器的输出幅值。双Marx型拓扑每一级需要四个固态开关，级联型H桥拓扑每一级需要五个固态开关。为输出高幅值电压，需级数叠加，固态开关数量急剧增多，设备可靠性大大降低，成本迅速上升。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是提供一种低成本大功率双极性高压脉冲发生器，包括：控制信号发生模块、固态开关驱动电路、双极限高压脉冲发生器和负载。
[0006]所述控制信号发生模块生成开关控制信号，并传输至固态开关驱动电路。
[0007]所述固态开关驱动电路接收到开关控制信号后，控制低压脉冲发生单元和高压脉冲发生单元中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。
[0008]所述高压脉冲发生单元向负载传输双极性高压脉冲。
[0009]其中，高压脉冲发生器的电路拓扑如下所示：
[0010]记电源V
dc
正极所在一端为A端，负极所在一端为B端，B端接地。
[0011]A端依次串联高频阻流电感L
z
、储能电容C1后连接至B端。
[0012]所述固态开关S1‑
S4均采用MOSFET开关，且栅极均悬空。
[0013]高频阻流电感L
z
串联固态开关S1的漏极，固态开关S1的源极串联固态开关S3的漏极，固态开关S3的源极串联至B端。
[0014]高频阻流电感L
z
串联固态开关S2的漏极，固态开关S2的源极串联固态开关S4的漏极，固态开关S4的源极串联至B端。
[0015]固态开关S1的源极依次串联脉冲变压器初级漏感L
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容C
d1
后连接至固态开关S2的源极。
[0016]固态开关S1的源极依次串联脉冲变压器初级漏感L
s1
、脉冲变压器励磁绕组L
m
后连接至固态开关S2的源极。
[0017]固态开关S1的源极依次串联脉冲变压器初级漏感L
s1
、电感L1后连接至固态开关S2的源极。
[0018]电感L2与电感L1分别为对应的初、次级绕组等效变比电感，记电感L2的一端为E端，另一端为F端。
[0019]E端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L
s2
、脉冲变压器次级分布电容C
d2
后连接至F端。
[0020]E端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L
s2
、负载电容R
L
后连接至F端。
[0021]进一步，所述高压脉冲发生器还包括人机交互界面和数字式闭锁保护。
[0022]所述人机交互界面用于生成开关控制指令，并传输至控制信号发生模块。
[0023]所述控制信号发生模块接收开关控制指令后生成开关控制信号。
[0024]所述数字式闭锁保护对整体电路进行保护。
[0025]进一步，所述高压脉冲为双极性脉冲电压，其脉冲宽度、正负极性间距、脉冲频率可调。
[0026]进一步，所述固态开关驱动电路通过控制低压脉冲发生单元和高压脉冲发生单元中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间，进而控制脉冲放电时间。
[0027]所述脉冲放电的时间包括正脉冲放电时间、正负脉冲时间间隔、负脉冲放电时间和负正脉冲时间间隔。
[0028]所述正脉冲放电时间和正负脉冲时间间隔为一个脉冲放电周期。
[0029]进一步，所述高压脉冲发生器工作时，通过控制固态开关的导通和关断，以及导通和关断的时间，实现电感L1上正负极性电压信号的输出。
[0030]当固态开关S1、固态开关S4导通且固态开关S2、固态开关S3关断时，在电感L1上输出正极性低压，其幅值为V
o1
。
[0031]当固态开关S1、固态开关S4关断且固态开关S2、固态开关S3导通时，在电感L1上输出负极性低压，其幅值为
‑
V
o1
。
[0032]进一步，所述脉冲变压器对电感L1的低压脉冲进行升压，进而在负载R
L
端输出赋值为V
o
＝n*V
o1
的双极性脉冲电压。n为脉冲变压器的变比。
[0033]进一步，所述脉冲变压器励磁绕组L
m
分布于铁心两臂，包括初级绕组和次级绕组。
[0034]所述初级绕组绕制于外侧，次级绕组绕制于内侧。
[0035]所述脉冲变压器励磁绕组L
m
整体浸泡于变压器油中。
[0036]进一步，所述初级绕组各线匝并联绕制，次级绕组各线匝串联绕制。
[0037]进一步，所述脉冲变压器采用的是CD型磁芯。
[0038]进一步，所述低成本大功率双极性高压脉冲发生器用于食品杀菌。
[0039]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术提出了基于优化型H桥及脉冲变压器的双极性脉冲高压发生器。仅需要一级H桥电路输出一定幅值电压，利用脉冲变压器升压单元对电压进行提升，从而达到高压脉冲发生器的设计指标。本专利技术提出的优化型H桥电路拓扑配合脉冲变压器可实现高幅值双极性脉冲电压电流波形输出。本专利技术提出的优化型H桥电路拓扑可在固态开关过流时短时间抑制电流的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低成本大功率双极性高压脉冲发生器，其特征在于，包括：控制信号发生模块、固态开关驱动电路、双极限高压脉冲发生器和负载。所述控制信号发生模块生成开关控制信号，并传输至固态开关驱动电路；所述固态开关驱动电路接收到开关控制信号后，控制低压脉冲发生单元和高压脉冲发生单元中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。所述高压脉冲发生单元向负载传输双极性高压脉冲；其中，高压脉冲发生器的电路拓扑如下所示：记电源V
dc
正极所在一端为A端，负极所在一端为B端，B端接地；A端依次串联高频阻流电感L
z
、储能电容C1后连接至B端；所述固态开关S1‑
S4均采用MOSFET开关，且栅极均悬空；高频阻流电感L
z
串联固态开关S1的漏极，固态开关S1的源极串联固态开关S3的漏极，固态开关S3的源极串联至B端；高频阻流电感L
z
串联固态开关S2的漏极，固态开关S2的源极串联固态开关S4的漏极，固态开关S4的源极串联至B端；固态开关S1的源极依次串联脉冲变压器初级漏感L
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容C
d1
后连接至固态开关S2的源极；固态开关S1的源极依次串联脉冲变压器初级漏感L
s1
、脉冲变压器励磁绕组L
m
后连接至固态开关S2的源极；固态开关S1的源极依次串联脉冲变压器初级漏感L
s1
、电感L1后连接至固态开关S2的源极；电感L2与电感L1分别为对应的初、次级绕组等效变比电感，记电感L2的一端为E端，另一端为F端；E端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L
s2
、脉冲变压器次级分布电容C
d2
后连接至F端；E端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L
s2
、负载电容R
L
后连接至F端。2.根据权利要求1所述的一种低成本大功率双极性高压脉冲发生器，其特征在于，所述高压脉冲发生器还包括人机交互界面和数字式闭锁保护；所述人机交互界面用于生成开关控制指令，并传输至控制信号发生模块；所述控制信号发生模块接收开关控制指令后生成开关控制信号；所述数字...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，董守龙，姚陈果，余亮，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。