高压脉冲杀菌电源关键技术研究

发布时间：2017-10-05 06:45

  本文关键词：高压脉冲杀菌电源关键技术研究

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【摘要】：随着人们生活水平的提高,其对食品的安全以及营养的要求变得越来越高。传统的热处理杀菌法对食品的营养价值以及口感风味等均产生一定的副作用,因而近年来非热处理杀菌正得到人们越来越多的关注。非热处理杀菌中的高压脉冲电场(Pulsed Electric Field,PEF)杀菌是一种新的冷杀菌技术。其具有良好的杀菌效果且杀菌处理时间短、能耗低以及温升小等特点,从而使高压脉冲电场杀菌技术成为一项值得研究和推广的食品杀菌技术。高压脉冲杀菌电源主要由充电电路、放电电路以及控制电路三部分构成。本文对高压脉冲杀菌电源中的快速充电、高压杀菌脉冲形成以及纳秒级高压触发脉冲形成等关键技术进行了详细研究。设计了谐振充电电路、杀菌脉冲形成网络以及纳秒级高压触发脉冲形成电路。本文提出采用充电管谐振充电的方式对脉冲形成网络(Pulse Forming Network,PFN)充电到预定电压值,然后通过控制氢闸流管的导通使脉冲形成网络对负载放电,从而在负载上获得相应的输出脉冲,实现了电压波形和频率的改变。本文对主电路的设计方法以及参数计算进行了详细的介绍,并通过Pspice仿真验证设计以及参数计算的合理性。为了缩短氢闸流管的点火时间,形成满足要求的高压杀菌脉冲前沿,应尽量提高氢闸流管栅极触发脉冲前沿速率。本文从金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)选型、电路布局、储能电容的选择等方面来对氢闸流管触发电路进行研究设计,分析各器件及寄生参数对其输出脉冲前沿速率的影响。针对线型脉冲调制器输出脉冲宽度难以大范围连续调节的劣势,本文采用在脉冲形成网络的始端和终端各连接一个氢闸流管,其中脉冲形成网络始端所接开关为电路主开关VE1,终端所接开关VE2调节输出脉冲宽度。通过调节脉冲形成网络终端所接开关VE2相对于主开关VE1的触发延时来实现最终输出脉冲宽度的变化,由此引起的线型脉冲调制器的负失配状态由反峰电路解决。实验和仿真结果表明,可得到脉冲宽度1μs-2μs可调、频率500Hz-1000Hz可调、脉冲前沿小于200ns的高压脉冲,满足高压杀菌的要求。
【关键词】：高压脉冲电场 线型脉冲调制器 脉冲形成网络 氢闸流管Pspice仿真
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 本论文研究工作背景与意义10-11
• 1.1.1 热杀菌技术10
• 1.1.2 非热杀菌技术10-11
• 1.2 高压脉冲电场杀菌介绍11-13
• 1.2.1 高压脉冲电场杀菌技术的发展及其机理研究11
• 1.2.2 PEF杀菌装置11-12
• 1.2.3 PEF杀菌技术推广亟待解决的问题12-13
• 1.3 高压脉冲发生器研究13-20
• 1.3.1 国外研究进展13-16
• 1.3.2 国内高压脉冲发生器的研究进展16-17
• 1.3.3 PEF杀菌系统中高压脉冲发生器设计要点17-20
• 1.4 研究目标与研究内容20
• 1.5 本论文的结构安排20-22
• 第二章 高压脉冲杀菌电源总体设计方案22-26
• 2.1 整体设计原则22
• 2.2 高压脉冲杀菌电源总体结构22-23
• 2.3 高压脉冲杀菌电源各部分功能23-24
• 2.3.1 高压脉冲杀菌电源主电路23-24
• 2.3.2 高压脉冲杀菌电源控制单元24
• 2.4 高压脉冲杀菌电源仿真验证24
• 2.5 本章小结24-26
• 第三章 高压脉冲杀菌电源主电路的设计26-42
• 3.1 充电电路设计26-35
• 3.1.1 高压直流电源U028
• 3.1.2 脉冲形成网络充电电压以及充电回路电流28-29
• 3.1.3 脉冲形成网络PFN29-31
• 3.1.4 充电电感LC31-32
• 3.1.5 开关管及充电管的选择32-35
• 3.1.6 反尖峰网络L1R1和临界阻尼网络RcCc的设计35
• 3.2 放电回路设计35-40
• 3.2.1 放电过程36-38
• 3.2.2 输出脉冲宽度调节38-39
• 3.2.3 反峰电路设计39-40
• 3.3 本章小结40-42
• 第四章 高压脉冲杀菌电源控制电路的研究与设计42-54
• 4.1 PWM控制电路42-45
• 4.2 PWM信号放大电路及驱动电路45-47
• 4.3 氢闸流管触发电路47-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 高压脉冲杀菌电源仿真分析与部分实验结果54-66
• 5.1 高压脉冲杀菌电源仿真分析54-63
• 5.1.1 反尖峰网络对充电电路影响的仿真分析55-57
• 5.1.2 脉冲形成网络参数对输出脉冲影响的仿真分析57-59
• 5.1.3 反峰电路对电路影响的仿真分析59-60
• 5.1.4 输出脉宽调节仿真分析60-61
• 5.1.5 输出脉冲幅值仿真分析61-63
• 5.2 实验结果63-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 本文总结66
• 6.2 主要创新点66-67
• 6.3 本文存在的不足67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-75
• 攻读硕士期间取得的科研成果75-76

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本文编号：975366