、总开关Sf、储能电容C0，每级电路含有一个储能电容Ci（i=1, 2,…, n）、四个固态开关Sak、Sbk、Sck、Sdk和两个二极管VDek、VDgk（k=1, 2,…, n）。摘要 为了满足高压脉冲电场（PEF）液体食品灭菌对脉冲电源的特殊要求，该文首先基于传统Marx电路提出了新的拓扑结构，以减少半导体开关的使用数量，设计了用于多样性负载残余电荷的放电回路，通过对双极性脉冲电路中半导体开关导通时序的控制，实现对双极性脉冲波形的陡化，并基于此设计搭建出可供液体食品灭菌实验用的双极性方波脉冲电源；其次，利用OrCAD仿真软件对电路进行可行性分析，验证了电源在阻容性负载下输出波形依然是方波，以及电路的钳位功能；最后，设计并搭建了3级双极性方波脉冲电源的实验样机。测试结果表明，双极性脉冲电源实现了±6 kV、50～500 Hz的高压脉冲输出，输出脉冲宽度达2～20 µs，正、负极性脉冲上升沿与下降沿在300 ns内。通过设计回路对负载及时放电，显著陡化了脉冲拖尾，具有良好的负载适应性。利用搭建的双极性方波脉冲电源灭菌实验平台对生鸡蛋清进行灭菌实验，结果表明，提高双极性方波脉冲输出的电压幅值、频率和宽度均可以增强对液体食品的灭菌效果，且脉冲电压幅值的提高对灭菌效果的提升更加显著，但脉冲电压幅值、频率和脉冲宽度的提高均会使液体食品温度升高从而导致异常放电，因此需要合理地调控三个参数来控制液体食品的温升以获得更好的灭菌效果。该文可为双极性方波脉冲液体灭菌技术提供理论和技术支持。
关键词：高压脉冲电场 脉冲灭菌 双极性方波 Marx电路
目前工业上应用的液体食品灭菌技术主要为巴氏灭菌、超高温瞬时灭菌等热力灭菌方式，这些灭菌方式不仅造成能源浪费，而且会破坏食品中的蛋白质、维生素等营养成分，改变食品的原有风味。高压脉冲电场（Pulsed Electric Fields, PEF）灭菌技术具有能耗小、灭菌时间短、效率高、处理温度低等优点。其作用于细胞的生物膜上可形成跨膜电压，当跨模电压超过某一临界值后，细胞发生破裂，最终导致细胞彻底死亡。该灭菌技术温升小的特点能够最大限度地保留食品的营养与风味口感，因此，这一非热灭菌技术受到了广泛关注[1-4]。
高压脉冲电源作为脉冲电场灭菌系统中的核心，其脉冲波形、电场强度、作用时间、上升和下降沿时间等参数都会影响灭菌效果[5]。脉冲电源的波形通常分为方波、指数衰减波和振荡衰减波三种。研究结果表明，方波灭菌效果最好，指数衰减波次之，振荡衰减波灭菌效果最差[6]。高压脉冲电源的负载由灭菌处理室和液体食品组成，其负载特性通常为阻容性，脉冲电源所用半导体触发时与电容电压钳位，开关关断速度的延时导致拖尾现象。这些问题会导致脉冲放电后，负载的电压不能快速置零，造成脉冲拖尾使灭菌效率下降，同时拖尾现象会使设计的最小周期增加[7-9]。另外，由于液体食品的电导率较高，使得脉冲电源输出较大的电流，因此，研制大功率陡脉冲的高压脉冲电源已成为亟须解决的问题[10]。Marx电路具有结构简单、对输入电源要求低、可通过多级串联获得高电压等优点，在高压脉冲电场灭菌中被逐渐应用[11-12]。目前，液体食品灭菌所采用的高压脉冲电源以单极性脉冲方波和双极性脉冲方波为主，其中双极性脉冲方波对细胞膜结构的破坏比单极性脉冲方波更有效，这是由于双极性的高频脉冲反向导致的交变应力会引起膜的结构发生破坏，从而提高了灭菌效率，进而获得更好的灭菌效果[13-17]。同时在灭菌处理室上施加单极性脉冲方波会增加对电极的电化学腐蚀，而施加双极性脉冲可以减轻这种腐蚀[18]。熊兰等[19]对传统的Marx发生器进行改进，在单极性脉冲输出端串联H桥逆变电路，将单极性脉冲变成双极性脉冲，但H桥逆变电路需串联成倍的IGBT，难以保证开关同步导通。葛劲伟等[20]利用MOSFETs与脉冲变压器结合发生双极性方波的方式，无法实现宽脉冲、大功率的应用场合。文献[21]采用多个IGBT串联的结构作为固态开关，研制出脉冲宽度、延时、周期均可调的脉冲电源，但该电源负载适应性较差，难以驱动容性负载。魏新劳等[22]对Marx电路进行了改进，使得电源具有良好的钳位功能，但当电源输出脉冲宽度增大时，放电时间将增加，隔离电感的电流亦增大，使得隔离能力下降，充电电源和IGBT容易过电流导致系统烧毁，同时电感隔离带来的Boost升压效应使储能电容上的电压超过充电电源电压，此时电源的输出电压会变得不稳定，难以精确控制。A. Elserougi等[23]提出的电路结构避免了由于损耗造成的靠近负载端的电容充电电流小的问题，但是控制策略较为复杂，当需要输出更高的电压时，则难以实现。目前双极性脉冲电源是通过改进放电回路、控制固态开关的导通时间等方式来解决液体食品灭菌时的拖尾现象，但拖尾现象仍然存在，这将导致被处理液体温升较高，破坏食品营养、影响口感，同时可能导致被处理液体发生异常放电。
本文对传统Marx电路进行改进，搭建了3级双极性方波脉冲电路，在放电结束之后，通过改变IGBT导通与关断的控制时序，将负载上的残余电荷快速释放，实现脉冲波形的陡化，使其近似于方波脉冲，同时优化了对电路中IGBT的控制策略，简化了控制电路，提高了电源的可靠性。该电源具有输出电压、脉冲宽度和频率均可调的特点，输出脉冲电压幅值为±6 kV，脉冲宽度为2～20 µs，脉冲频率为50～500 Hz，脉冲的上升沿与下降沿时间均小于300 ns，脉冲输出的最大电流可达800 A，具有良好的负载适应能力和过电流保护功能。选取生鸡蛋清为灭菌对象，探究脉冲电场强度、脉冲频率、脉冲宽度与灭菌效果之间的关系，实验结果表明，本文设计的高压脉冲电源能够满足液体食品灭菌的实验需求。
本文设计的双极性方波脉冲电路运用Marx电路“并联充电，串联放电”的原理。由于电容电压不能突变，对传统Marx电路结构进行了改进，通过开关器件将多级电路级联，使电压逐级叠加，实现高电压的输出，其电路拓扑结构如图1所示。双极性方波脉冲电路含有直流电源VDC、直流电源内阻、总开关Sf、储能电容C0，每级电路含有一个储能电容Ci（i=1, 2,…, n）、四个固态开关Sak、Sbk、Sck、Sdk和两个二极管VDek、VDgk（k=1, 2,…, n）。
图1 双极性方波脉冲电路拓扑结构
Fig.1 Bipolar square wave pulse topology circuit
通过改变各个固态开关的通断次序，实现双极性方波输出，电路的控制时序如图2所示。该电路包含充电、正极性放电及负极性放电三个过程。
图2 控制时序
Fig.2 Control sequence
双极性方波脉冲电路的充电过程如图3所示。在t0～t1内开关Sa1～San、Sb1～Sbn关断，开关Sf、Sc1～Scn和Sd1～Sdn导通时，直流电源VDC通过二极管VDg1～VDgn、VDe1～VDen和开关Sf、Sc1～Scn、Sd1～Sdn对储能电容C0～Cn充电，此时负载被Sd1～Sdn、VDe1～VDen短路。
正极性脉冲放电过程如图4所示。当储能电容C0～Cn在t0～t1时间内充满电后，在t2～t3时间内开关Sc1～Scn与Sb1～Sbn导通，开关Sf、Sa1～San与Sd1～Sdn关断，储能电容C0～Cn-1以串联叠加电压的方式对负载放电。
图3 双极性方波脉冲电路充电过程
Fig.3 Charging process of bipolar square wave pulse circuit
图4 正极性脉冲放电过程
Fig.4 Discharge process of positive polarity pulse
正极性脉冲的截尾回路如图5所示。t3时刻之后正极性脉冲放电产生拖尾，此时负载处于正电位，
时刻之后开关Sd1～Sdn、二极管VDe1～VDen与负载构成放电回路，快速释放负载中的存储电荷，使负载电压迅速下降，从而实现对正极性脉冲的快速截尾。
图5 正极性脉冲截尾回路
Fig.5 Positive polarity pulse truncated circuit
负极性脉冲放电过程如图6所示。当储能电容C0～Cn在～t4时间内充满电后，在t5～t6时间内开关Sa1～San与Sd1～Sdn导通，开关Sf、Sc1～Scn与Sb1～Sbn关断，储能电容C1～Cn以串联叠加电压的方式对负载放电。
图6 负极性脉冲放电过程
Fig.6 Discharge process of negative polarity pulse
负极性脉冲的截尾回路如图7所示。t6时刻之后负极性脉冲放电产生拖尾，此时负载为负电位，电容Cn一端接地，另一端与负载相连接处于负电位，紧接着在
～t7时间内电路进入充电回路状态，直流电源VDC通过二极管VDg1～VDgn、VDe1～VDen和开关Sf、Sc1～Scn、Sd1～Sdn对储能电容C0～Cn充电，同时由于电容Cn两端电位不能突变，处于负电位的一端迅速变为零电位，即将负载的负电位迅速变为零电位，从而实现对负极性脉冲的快速截尾。
图7 负极性脉冲截尾回路
Fig.7 Negative polarity pulse truncation circuit
首先，本文设计的双极性方波脉冲电源不仅实现了陡上升沿和快速截尾，而且每一级仅使用4组IGBT和2个二极管，而传统双极性全固态Marx发生器每一级使用6组IGBT和2个二极管，相比之下每一级减少了2组IGBT的使用，n级电路即可减少2n组IGBT的使用，使得电源更加紧凑，降低了能量损耗，简化了控制电路；其次，电源采用二极管作为隔离器件，未采用电阻隔离，这样可以解决储能电容充电电流过小的问题；再次，当储能电容以串联叠加电压的方式对负载进行放电时，开关Sf可由控制电路触发使其关断，可将直流电源VDC与放电回路隔离；最后，可通过改变固态开关触发电路的时序实现单极性或双极性方波脉冲的输出，同时脉冲电源的输出脉冲宽度与频率亦可调。
本文以3级为例搭建双极性方波脉冲电源，其性能指标见表1。
表1 3级双极性方波脉冲电源输出参数
Tab.1 Output parameters of three-level bipolar square wave pulse power supply
参数数值 输出双极性脉冲电压峰峰值/kV12 输出正极性脉冲幅值/kV6
（续）
参数数值 输出负极性脉冲幅值/kV-6 输出最大脉冲电流峰峰值/A1 600 输出正脉冲最大脉冲电流/A800 输出负脉冲最大脉冲电流/A-800 脉冲宽度/ μs2～20 脉冲频率/Hz50～500 脉冲上升时间/ns＜500 脉冲下降时间/ns＜500
由于脉冲电源采用Marx多级电路级联的方式，电路中各元器件均要承受一定的电压，越远离直流充电电源VDC的储能电容，其充电电压值越低，负载输出的电压值要小于3VDC。因此，为了保证双极性方波脉冲电源实际输出的电压峰峰值达到12 kV，本文在设计与电路理论分析计算中，设定电源输出电压理论峰峰值为14 kV，输出正、负极性脉冲理论电压幅值分别为+7 kV和-7 kV，则直流电源电压VDC约为2.33 kV。
电容器的选取不仅需要考虑额定电压与电容量，还需考虑电容充放电的时间。为了保证输出脉冲波形为近似方波，要求脉冲顶部的降落不能过大，可计算出主电容的下限值，即输出最大脉冲宽度、最大电流时电容器上的电压不能下降到要求的最小电压值。充电时间t时刻的电容电压Vt计算公式为
（1）
式中，VDC为直流电源电压；V1为脉冲初始电压；V2为脉冲结束电压；C为单个电容器的容值；Ceq为等效电容值；R为负载等效电阻，经测试约为8.7 Ω。当最大脉冲宽度为20 μs、最大放电电流为1 600 A时，取V2≥0.8V1，计算得到Ceq≥10.24 µF。由于本文采用3级Marx电路拓扑结构，因此单个电容值C≥nCeq=3×10.24 µF=30.72 µF，这样可使负载上的脉冲波形近似为方波。
电源在最高频率下工作时，要保证各级电容在两次脉冲间隔时间最短的情况下能够充满电，可计算出电容的上限值，其计算式为
（2）
式中，
为直流电源内阻。脉冲电源的最高脉冲频率为500 Hz，即相邻的两个正极性与负极性脉冲的时间间隔为1 ms。电源输出的最大脉冲宽度为20 μs，为了避免电路误导通，在充电阶段与放电阶段会预留10 μs，因此对电容的最大允许充电时间为tC_max=1 ms-20 μs-10 μs=0.97 ms。在充电阶段，当电容电压Vt≥0.95VDC时，即认为电容充电完成。直流电源电压VDC=7 kV/3级=2.33 kV，直流电源内阻取2 Ω，由式（2）计算可得C≤161.90 μF，可满足充电要求。本文选用CYEC公司的CSG3000106J1160电容，由4个耐压值为3 kV、容值为10 µF的电容并联组成。
IGBT的选取主要考虑最大耐压值（集电极-发射极电压），最大集电极电流（连续集电极直流电流），通态压降，导通和关断的上升、下降时间，导通和关断的延长时间等。选用ABB公司生产的大功率IGBT模块5SNE0800E330100作为开关器件，其参数见表2。
表2 5SNE0800E330100性能参数
Tab.2 Performance parameters of 5SNE0800E330100
参数数值 集电极-发射极电压VCES/V3 300 连续集电极直流电流IC/A800 峰值集电极电流ICM/A1 600 栅极-发射极电压VGES/V-20～20 通态压降VCE(sat)/V3.1 上升时间tr/ns190 下降时间tf/ns340 开通延迟时间td-on/ns525 关断延迟时间td-off/ns1 060
二极管的选取应考虑最大反向击穿电压和最大正向平均电流。根据双极性方波脉冲电源技术参数可知，电源回路中最大充电电压为2.33 kV，因此最大反向击穿电压应大于2.33 kV；由于负载阻抗在几十至几百欧姆之间，二极管需承受几十至几百安培的电流。ABB公司5SNE0800E330100模块内含有反并联二极管，还包含一个单独的二极管模块，其最大反向击穿电压为3 300 V，最大正向平均电流为800 A，能够满足双极性方波脉冲电源的设计要求。图1所示电路中每级开关Sak、Sbk、Sck、Sdk分别使用1个5SNE0800E330100模块，即每级电路使用4个5SNE0800E330100模块，其中开关Sak、Sbk使用模块内的IGBT和反并联二极管，开关Sck、Sdk不仅使用模块内的IGBT和反并联二极管，还使用其内部的单独二极管，这种集成模块可使电源结构更加紧凑，减少电路电感分量，有利于提高双极性方波脉冲的上升沿。
本文选用Cyclone Ⅳ系列EP4CE6F17C8N开发板作为双极性方波脉冲电源的控制器，内含179个I/O端口、50 MHz的晶振电路，能产生高精度、稳定性好的控制信号。控制器主要实现两个功能：①确保IGBT开关动作的同步性，需要5组控制信号对3级Marx电路中的13个IGBT分别进行控制；②由于灭菌处理室的阻值较低，且在实验中可能因操作不当引发处理室内液体击穿，产生较大电流，因此需要对电源进行过电流保护，以确保脉冲电源运行的安全性。
IGBT驱动电路选用Concept公司生产的1SD536F2-5SNA0800N330100驱动板，其输出最大功率为5 W，输出电流为36 A，开启延迟与关闭延迟时间分别为350 ns和450 ns，输出上升时间与输出下降时间分别为15 ns和20 ns，最大工作频率可达18 kHz，可用于IGBT模块5SNE0800E33010的驱动；另外，该驱动板可直接镶嵌在所选用的IGBT模块上，使得电源结构更加紧凑，同时能够实现与IGBT模块的电气隔离，并且具有过电流保护功能，提高了脉冲电源的可靠性。
由于脉冲电源输出高压脉冲会对控制信号产生较强的电磁干扰，影响控制信号输出的准确性，因此需要对脉冲电源的高压电路与控制信号电路之间进行有效的电气隔离。本文选用北京落木源公司生产的TX-JKDF1光电转换板，通过1路电信号输入，实现2路光纤信号输出，不仅减少了系统接线，而且具有2路报警信号输入端口，可实现电路的保护功能。控制器产生的电信号通过光电转换板产生光信号，IGBT驱动电路通过输入光信号来控制IGBT的导通与关断，以光纤隔离的方式实现高压电路与控制电路的电气隔离。
本文设计的双极性方波脉冲电源是针对液体食品进行灭菌实验所用，当灭菌处理室中充满液体食品时，灭菌处理室作为负载呈阻容性。采用OrCAD软件搭建3级双极性方波脉冲电源电路，通过仿真验证双极性方波脉冲电源的可行性。
仿真电路中采用理想压控开关模块替代IGBT，设置电源输入电压VDC=2.33 kV，储能电容值为 40 μF、直流电源内阻rDC=2 Ω。液体食品可用阻容性负载表示，其电阻值和电容值分别为100 Ω和 0.1 µF[22]。脉冲重复频率为50～500 Hz，即对应的脉冲周期为2～20 ms，双极性方波脉冲电源仿真电路如图8所示。
图8 双极性方波脉冲电源仿真电路
Fig.8 Bipolar square wave pulse simulation circuit
图8中，信号源V1为开关Sf提供触发信号，V2与V6为开关Sc1～Sc3提供触发信号，V3与V7为开关Sd1～Sd3提供触发信号，V4为开关Sb1～Sb3提供触发信号，V5为开关Sa1～Sa3提供触发信号。双极性方波脉冲电源频率设置为500 Hz，即每个周期为2 ms，按图2a的常规控制时序控制IGBT的导通与关断，t3～、t6～的时间间隔均设置为200 µs，得到常规时序下阻容性负载输出电压V0的波形如图9所示。
由图9可得，正、负极性脉冲持续输出20 μs后，负载上的电压值不会在较短的时间内降为0 V，而是出现一个大约50 μs的下降沿，因此负载的阻容特性会造成拖尾现象。这是因为灭菌处理室负载阻抗特性呈现阻容性，会使脉冲的下降沿变长，出现脉冲拖尾，使得脉冲波形不再是方波而是衰减波，输出更多的能量导致液体发热，甚至可能发生异常放电，进而影响高压脉冲灭菌的效果。
图9 常规控制时序下阻容性负载输出脉冲波形
Fig.9 Conventional control timing for output pulse waveforms under resistive load
在其他条件不变的情况下，按图2b所示控制时序减小t3～、t6～的时间间隔来控制开关Sd1～Sd3与Sa1～Sa3的导通与关断，设置时间间隔均为2 µs，得到改进控制时序下阻容性负载输出电压V0的波形如图10所示。可见通过减小t3～、t6～的时间间隔使开关Sd1～Sd3与Sa1～Sa3在更短的时间内导通，可令正、负极性输出脉冲宽度为20 μs，放电后电压幅值经2 μs后迅速置零，与图9中电压幅值经50 μs后置零相比，拖尾时间缩短了96%。因此，采用本文提出的改进时序可有效地改善阻容性负载下输出脉冲的拖尾现象。
图10 改进控制时序下阻容性负载输出脉冲波形
Fig.10 Improved control timing for output pulse waveform under resistive load
脉冲电源工作过程如下：在0～0.970 ms时间内，开关Sf、Sc1～Sc3与Sd1～Sd3导通，Sa1～Sa3与Sb1～Sb3关断，VDC通过二极管和开关Sf、Sc1～Sc3与Sd1～Sd3对储能电容C0～C3充电；在0.970～0.980 ms时间内关断所有的IGBT，并设置死区时间保证充电回路与放电回路不发生误导通；在0.980～1 ms时间内，开关Sc1～Sc3与Sb1～Sb3导通，电容C0～C2以串联叠加电压的方式对负载进行正极性放电，在1～1.002 ms时间内关断开关Sc1～Sc3与Sb1～Sb3，在1.002 ms之后对正极性放电快速截尾，此时输出正极性脉冲如图10b所示，正极性脉冲电压幅值为6.5 kV，输出脉冲宽度为20µs，正极性脉冲顶部结束电压为6.2 kV，顶部下降率为4.6%。
在1.002～1.970 ms时间内，开关Sf、Sc1～Sc3与Sd1～Sd3导通，Sa1～Sa3与Sb1～Sb3关断，VDC通过二极管和开关Sf、Sc1～Sc3与Sd1～Sd3对储能电容C0～C3充电；1.970～1.980 ms期间关断所有的IGBT，并设置死区时间保证充电回路与放电回路不发生误导通；在1.980～2 ms期间，开关Sd1～Sd3与Sa1～Sa3导通，电容C1～C3以串联叠加电压的方式对负载进行负极性放电，在2～2.002 ms时间内关断开关Sc1～Sc3与Sb1～Sb3，在2.002 ms之后对负极性放电快速截尾，此时输出负极性脉冲如图10c所示，负极性脉冲电压幅值为-6.7 kV，输出脉冲宽度为20 µs，负极性脉冲顶部结束电压为-6.2 kV，顶部下降率为7.5%，满足本文设计的3级双极性方波脉冲电源输出电压要求。
本文设计的双极性方波脉冲电源中使用13个IGBT，由五组信号进行控制，尽管各路控制信号均由同款的驱动电路来驱动，但仍无法保证IGBT的同步性，可能会导致某个IGBT出现过电压而引发击穿，以致串联放电时所有开关发生连锁击穿。全固态Marx电路凭借其特殊的电路构造，使其具有电压钳位的功能，即当电源中的IGBT未正常导通时，对应的二极管会发生正向偏置，未正常导通的IGBT与对应的储能电容短路，使得该IGBT上承受的电压钳制在正常范围内。双极性方波脉冲电路中开关Sak、Sbk继承了这种钳位功能，通过控制开关Sbk处于不正常导通和提前关断这两种情况，利用图2b所示改进控制时序来验证电源的钳位功能。
第一种情况：在正极性脉冲放电过程中，模拟控制开关Sbk其中一个未导通的情况。令图8仿真电路中的开关Sb2未正常导通，得到仿真结果如图11所示。由图11可得，正极性脉冲放电期间开关Sb1、Sb2上的电压突然增大，Sb2上的电压高于Sb1的电压，但均未超过直流电源充电电压。
图11 开关Sb2未正常导通的电压波形
Fig.11 Voltage waveforms of switchSb2 not conducting normally
脉冲电源在开关Sb2未正常导通时，负载输出电压波形如图12所示。由图12可知，正极性脉冲在开关Sb2未正常导通时，输出电压幅值与负极性脉冲输出电压幅值相比有所减小，这是因为在正极性脉冲放电过程中，二极管VDg2发生正向偏置，将未导通的开关Sb2与储能电容C2短路，相当于在正极性放电时少串联一个储能电容C2，正极性脉冲电压幅值就减少了一级电容电压，而对负极性脉冲放电没有影响。同理，在负极性脉冲放电过程中，当开关Sak中有一个开关未导通时，负极性脉冲电压幅值减少了一级电容电压，而正极性脉冲的输出波形没有任何变化。
图12 开关Sb2未正常导通的负载输出电压波形
Fig.12 Load output waveform with switch Sb2 not conducting normally
第二种情况：在正极性脉冲放电过程中，模拟控制开关Sbk中有一个开关提前关断的情况。令图8仿真电路中的Sb2提前关断10 μs，得到仿真结果如图13所示。由图13可得，在正极性脉冲输出10 μs后，开关Sb1、Sb2上的电压突然增大，Sb2上的电压略高于Sb1的电压，但均未超过直流电源充电电压。
图13 开关Sb2提前关断的电压波形
Fig.13 Voltage waveforms of switch Sb2 turning off prematurely
脉冲电源在开关Sb2提前关断时负载输出电压波形如图14所示。由图14可知，正极性脉冲在开关Sb2提前关断时，其输出电压幅值与负极性脉冲输出电压幅值相比有所减小，这是因为在正极性脉冲放电过程中，开关Sb2提前关闭10 μs，二极管VDg2在正极性脉冲放电10 μs后发生正向偏置，将开关Sb2与储能电容C2短路，相当于在正极性放电时少串联一个储能电容C2，正极性脉冲电压幅值就减少了一级电容电压，而对负极性脉冲放电没有影响。同理，在负极性脉冲放电过程中，当开关Sak中有一个开关提前关断10 μs后，负极性脉冲电压幅值减少了一级电容电压，而正极性脉冲输出波形没有变化。
图14 开关Sb2提前关断负载输出波形
Fig.14 Load output waveform with switch Sb2 turning off prematurely
通过上述对开关Sb2未导通和提前关断两种情况的仿真分析可知，开关Sb2上的电压均没有超过直流电源充电电压，由此可说明本文设计的双极性方波脉冲电路具有良好的电压钳位功能。
双极性方波脉冲电源由直流电源和双极性脉冲主电路组成。直流电源电压通过调压器、升压变压器、整流桥和滤波电容获得；双极性脉冲主电路以上述3级Marx拓扑电路为例进行搭建。双极性方波脉冲电源如图15所示。
设定系统输出脉冲频率为500 Hz，脉冲宽度为20 µs，直流电压VDC=2.33 kV，阻容性负载的电阻值为100 Ω、电容为0.1 µF。按图2a的常规控制时序控制IGBT的导通与关断，即t3～、t6～的时间间隔较大，设置该时间间隔为200 µs，经过200 µs后开关Sd1～Sd3与Sa1～Sa3在、时刻导通，此时不能对脉冲进行快速截尾。采用固纬电子GDS-3504型示波器和泰克P6015A型高压探头采集输出电压波形，无截尾时阻容性负载下脉冲电源输出波形如图16所示。
图15 双极性方波脉冲电源
Fig.15 Bipolar square wave pulse power supply
图16 无截尾时阻容性负载下脉冲电源输出波形
Fig.16 Pulse waveform under resistive load without wave truncation
图16a为脉冲电压全貌，可见双极性脉冲源输出的±6 kV、500 Hz高压脉冲具有明显拖尾；图16b为正极性脉冲输出波形放大图，经测试输出脉冲宽度约为20 µs，上升沿约为286.9 ns，下降沿约为47.1 µs；图16c为负极性脉冲输出波形放大图，经测试输出脉冲宽度为20 µs，下降沿约为302.5 ns，上升沿约为47.94 µs。由上述分析可知，在正、负极性脉冲放电过程中不能对阻容性负载快速放电，这是因为阻容性负载的电容与电阻形成回路，电容的电量被电阻缓慢消耗，使电压不会迅速降为零，因此会导致双极性脉冲的波形出现很严重的脉冲拖尾现象，脉冲拖尾时间约为47 µs，已经超过脉冲宽度，严重影响波形，不能作为方波脉冲进行脉冲灭菌实验。
为了验证文中提出的控制时序对负载的快速截尾特性以及电源对阻容性负载的适应性，同样使用100 Ω、0.1 µF的阻容性负载，IGBT模块采用图2b改进控制时序，即减小图2a常规控制时序中t3～、t6～的时间间隔，设置时间间隔为2 µs，经2 µs后开关Sd1～Sd3与Sa1～Sa3在、时刻导通，负载电容能够立即放电，实现对脉冲的快速截尾。有截尾时阻容性负载下脉冲电源输出波形如图17所示。
图17 有截尾时阻容性负载下脉冲电源输出波形
Fig.17 Pulse waveform under resistive load with wave truncation
图17a所示为脉冲电压全貌，双极性脉冲源输出±6 kV、500 Hz的高压方波脉冲，可看到明显截尾；图17b为阻容性负载下输出正极性脉冲波形放大图，经测试输出脉冲宽度为20 µs，正极性脉冲上升沿约为268.9 ns，下降沿约为298.7 ns；图17c为阻容性负载下输出负极性脉冲波形放大图，经测试输出脉冲宽度为20 µs，负极性脉冲下降沿约为282.8 ns，上升沿约为293.4 ns。由上述分析可知，完成双极性脉冲放电之后，在充电回路里设计对负载的放电回路的同时改变控制时序，能够对负载的残余电荷进行快速释放，相较于常规控制时序，将脉冲拖尾时间从47 µs降至300 ns，使双极性脉冲输出波形更近似于方波脉冲，能够作为方波脉冲电源进行脉冲电场灭菌实验。
高压脉冲灭菌系统平台主要由双极性方波脉冲电源、待处理液体装置、水泵、脱气处理室、灭菌处理室、处理后液体装置、温度控制装置及测量装置等组成。灭菌系统平台示意图如图18所示。
图18 灭菌系统平台示意图
Fig.18 Diagram of sterilization system platform
灭菌系统的工作流程如下：首先，为了保证灭菌时温度条件不变，通过温度控制装置将待处理液体升温到灭菌所需温度；然后，水泵将液体送入脱气处理室进行脱气处理，经脱气的液体进入被施加高压脉冲的灭菌处理室，同时测量处理室两端的电压；最后，经高压脉冲电场灭菌后的液体进入处理后液体装置，在该装置内对液体进行取样以探究高压脉冲电源的灭菌效果。灭菌实验时脉冲电源的输出电压波形与图17基本相同。
本文以生鸡蛋清中自然存在的细菌为例对高压脉冲电场灭菌效果进行研究。灭菌效果用残存率S表示，表达式[24]为
（3）
式中，N0为脉冲电场处理前的液体中细菌浓度；N为脉冲电场灭菌处理后的液体中细菌浓度。
用生鸡蛋清与蒸馏水制成生鸡蛋清悬液，实验时为了保证灭菌效果为高压脉冲电场灭菌而非热效应灭菌，要求脉冲灭菌后的液体温升不超过5℃。双极性脉冲电源输出电压幅值为±6 kV、频率为 500 Hz、脉冲宽度为20 µs，灭菌系统平台中液体流速约为60 L/h，处理室内的被处理液体流速约为16.6 mL/s，即每s作用于每16.6 mL被处理液体的脉冲个数为500。实验时将待处理液体加热至25℃，处理后液体温度不超过30℃。若处理之后的液体食品温升高于5℃，则舍弃本组实验液体样本。每次实验取五组满足温升要求的样本，经培养基进行培养后获得菌落。高压脉冲电场处理前后生鸡蛋清内的菌落对比如图19所示。
由图19可知，未经高压脉冲电场处理的生鸡蛋清悬液在培养后出现大量肉眼可见的菌落，均呈现乳白色，表面略微隆起、光滑黏腻、易挑起，为生鸡蛋中存在的细菌生长繁殖而来，可知未经高压脉冲电场处理的生鸡蛋液中存在大量细菌；经高压脉冲电场处理后的生鸡蛋清悬液在培养后菌落数明显减少，可说明本文设计的脉冲电源具有良好的灭菌效果。
图19 处理前后生鸡蛋清菌落对比
Fig.19 Comparison of bacterial colonies before and after treatment of raw egg white
双极性与单极性方波脉冲输出脉冲宽度均保持为2 µs、频率均为100 Hz，液体流速约为60 L/h，将待处理液体加热至25℃，改变施加于灭菌处理室的双极性与单极性方波脉冲电压幅值，分别进行2、3、4、5、6 kV的实验，每个电压下取五组液体样本，计算每个电压下的五组样本经脉冲灭菌前后细菌残存率的平均值，进行灭菌效果的研究。双极性和单极性方波脉冲的灭菌效果如图20所示。
图20 双极性和单极性方波脉冲灭菌效果对比
Fig.20 Comparison of sterilization effects between bipolar and unipolar sterilization
由图20可知，双极性方波脉冲处理后的生鸡蛋清中细菌的残存率更低，即双极性方波脉冲的灭菌效果优于单极性方波脉冲的灭菌效果。当脉冲宽度、脉冲频率、液体流速、待处理液体温度等因素不变的情况下，灭菌效果随着双极性方波脉冲电压幅值的增加而增强。当单极性、双极性方波脉冲电压幅值达到5～6 kV时，双极性脉冲灭菌效果显著提升且强于单极性脉冲。
设定双极性方波脉冲宽度为2 µs，输出电压为2～6 kV，液体流速约为60 L/h，改变电源输出脉冲频率对生鸡蛋清中细菌进行灭菌处理，分别进行100、200、300、400、500 Hz的实验，每个脉冲频率下取五组液体样本，计算每个频率下的五组样本经脉冲灭菌前后细菌残存率的平均值，进行灭菌效果的研究。脉冲频率与生鸡蛋清中细菌残存率之间的关系如图21所示。
图21 脉冲频率与细菌残存率的关系
Fig.21 Relationship between pulse frequency and bacterial survival rate
由图21可知，在液体流速和脉冲宽度不变的情况下，生鸡蛋清中细菌的残存率随着脉冲频率的提高而降低，即脉冲频率越高灭菌效果越好。当脉冲电压幅值越高时，随着脉冲频率的提高，细菌残存率越低，但灭菌处理后的菌液温升越高，如脉冲幅值为6 kV，脉冲宽度2 μs，脉冲频率分别为400、500 Hz时细菌残存率更低，但灭菌处理后的液体温升超过5℃，同时会引起被处理液体的异常放电。可见由于温升，脉冲频率与脉冲电压的提高程度都受到了限制。
设定双极性方波脉冲频率为100 Hz，输出电压为2～6 kV，液体流速约为60 L/h，改变双极性方波脉冲电源输出脉冲宽度对生鸡蛋清中细菌进行灭菌处理，分别进行脉冲宽度为2、4、6、8、10 μs的实验，每个脉冲宽度下取五组液体样本，计算每个脉冲宽度下的五组样本经脉冲灭菌前后细菌残存率的平均值，进行灭菌效果的研究。脉冲宽度与生鸡蛋清中细菌残存率之间的关系如图22所示。
由图22可知，在液体流速和脉冲频率不变的情况下，生鸡蛋清中细菌的残存率随着脉冲宽度的增加而降低，但随着脉冲宽度的增加，其对灭菌效果的增强作用减小，说明脉冲电压起到主导作用。在较短的脉冲宽度下，灭菌处理室电极间的击穿电压将提高，有利于通过增加脉冲电压幅值来获得更好的灭菌效果。当脉冲电压幅值越大时，随着脉冲宽度的增加，细菌残存率越低，但灭菌处理后的菌液温升越高，如当脉冲幅值为6 kV，频率为100 Hz，脉冲宽度分别为8 μs和10 μs时，细菌残存率虽然更低，但灭菌处理后的液体温升超过5℃，也会引起被处理液体异常放电。可见由于温升，脉冲宽度与脉冲电压的提高程度同样受到了很大的限制。
图22 脉冲宽度与细菌残存率的关系
Fig.22 Relationship between pulse width and bacterial survival rate
1）本文设计了一种用于液体灭菌实验的双极性方波脉冲电源，在Marx电路基础上进行了改进，减少了IGBT的使用数量，具有良好的电压钳位功能。改变了IGBT导通与关断的控制时序，能够将负载上的残余电荷快速释放，实现脉冲波形的陡化，使其近似于方波脉冲，提高了电源的可靠性。
2）搭建了3级双极性方波脉冲电源实验样机，实现了±6 kV、50～500 Hz的高压方波脉冲输出，输出脉冲宽度为2～20 µs，正、负极性脉冲上升沿与下降沿在300 ns以内，解决了阻容性负载下的拖尾问题，实现了脉冲陡化与良好的负载适应性。
3）在本文的脉冲电源参数选择中，提高双极性方波脉冲输出的电压幅值、频率和脉冲宽度均可以增强对生鸡蛋液中细菌的灭菌效果，且电压幅值的提高对灭菌效果的提升更加显著，但电压幅值、频率和脉冲宽度的提高均会导致生鸡蛋液的温升，进而导致液体异常放电。因此，需要合理地调控脉冲电压幅值、频率和脉冲宽度这三个参数来控制液体食品的温升，从而获得更好的灭菌效果。
参考文献
[1] 王潇栋, 孔阳芷, 张艳玲, 等. 杀菌技术的作用机制及在食品领域中的应用[J]. 中国酿造, 2022, 41(2): 1-8.
Wang Xiaodong, Kong Yangzhi, Zhang Yanling, et al. Mechanism of sterilization technology and its application in food field[J]. China Brewing, 2022, 41(2): 1-8.
[2] 李梦杰, 胡坦, 潘思轶. 食品体系组成及加工方式对植物次生代谢物生物利用度的影响研究进展[J]. 食品科学, 2022, 43(5): 328-337.
Li Mengjie, Hu Tan, Pan Siyi. Effects of food composition and processing methods on bioavailability of plant secondary metabolites[J]. Food Science, 2022, 43(5): 328-337.
[3] 黄艺, 李丹丹, 杨哪, 等. 电场处理对酶活力的影响[J]. 中国食品学报, 2021, 21(11): 377-388.
Huang Yi, Li Dandan, Yang Na, et al. The effects of electric field treatments on enzyme activity[J]. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2021, 21(11): 377-388.
[4] 吴晓, 米彦, 郑伟, 等. 脉冲电场对细胞膜电穿孔面积的影响研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(14): 3779-3788.
Wu Xiao, Mi Yan, Zheng Wei, et al. Effect of pulsed electric field on electroporation area of cell membrane[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(14): 3779-3788.
[5] 齐梦圆, 刘卿妍, 石素素, 等. 高压电场技术在食品杀菌中的应用研究进展[J]. 食品科学, 2022, 43(11): 284-292.
Qi Mengyuan, Liu Qingyan, Shi Susu, et al. Recent progress in the application of high-voltage electric field technology in food sterilization[J]. Food Science, 2022, 43(11): 284-292.
[6] 魏新劳, 王浩然, 郭政良, 等. 工业用高压脉冲电场灭菌电源研制[J]. 电机与控制学报, 2019, 23(3): 65-72.
Wei Xinlao, Wang Haoran, Guo Zhengliang, et al. Development of industrial high voltage pulsed electric field sterilization power supply[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(3): 65-72.
[7] 魏新劳, 李家辉, 延二宝. 脉冲电场作用下细菌细胞膜跨膜电压分析[J]. 电机与控制学报, 2010, 14(5): 84-90.
Wei Xinlao, Li Jiahui, Yan Erbao. Analysis for transmembrane voltage on bacterial membrane in pulsed electric field[J]. Electric Machines and Control, 2010, 14(5): 84-90.
[8] Zhu Bo, Su He, Fang Zhihan, et al. Development of a high-voltage pulsed electric field sterilization power supply using a new topology circuit[J]. Energies, 2023, 16(6): 2741.
[9] Chen Xiaotian, Yu Lin, Jiang Tingting, et al. A high-voltage solid-state switch based on series connection of IGBTs for PEF applications[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2017, 45(8): 2328-2334.
[10] 张若兵, 陈杰, 肖健夫, 等. 高压脉冲电场设备及其在食品非热处理中的应用[J]. 高电压技术, 2011, 37(3): 777-786.
Zhang Ruobing, Chen Jie, Xiao Jianfu, et al. Pulsed electric fields system and its application in non-thermal food processing[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(3): 777-786.
[11] 朱博, 房志寒, 吴国延, 等. 新型高压脉冲电场灭菌电源的研制[J]. 电机与控制学报, 2022, 26(9): 69-76.
Zhu Bo, Fang Zhihan, Wu Guoyan, et al. Development of new high voltage pulsed electric field sterilization power supply[J]. Electric Machines and Control, 2022, 26(9): 69-76.
[12] 黄冬冬, 李江涛, 何双, 等. 用于特高压换流变压器宽频特性测量的脉冲发生器设计[J]. 高压电器, 2022, 58(7): 191-198.
Huang Dongdong, Li Jiangtao, He Shuang, et al. Design of pulse generator for measurement of broadband characteristics of UHV converter transformer[J]. High Voltage Apparatus, 2022, 58(7): 191-198.
[13] Wang Qijun, Li Yifei, Sun Dawen, et al. Enhancing food processing by pulsed and high voltage electric fields: principles and applications[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2018, 58(13): 2285-2298.
[14] 吴忠航, 石浩志, 姜松, 等. 用于细胞电穿孔的双极性脉冲发生器的研制[J]. 核技术, 2021, 44(10): 19-24.
Wu Zhonghang, Shi Haozhi, Jiang Song, et al. Development of bipolar pulse generator for cell electroporation[J]. Nuclear Techniques, 2021, 44(10): 19-24.
[15] 熊兰, 杨子康, 胡国辉, 等. 一种采用全固态开关的高压双极性脉冲源[J]. 电机与控制学报, 2015, 19(9): 73-80.
Xiong Lan, Yang Zikang, Hu Guohui, et al. One type of high voltage bipolar square pulser based on all-solid-state switch devices[J]. Electric Machines and Control, 2015, 19(9): 73-80.
[16] 董守龙, 周晓宇, 余亮, 等. 基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源研制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(8): 2015-2024.
Dong Shoulong, Zhou Xiaoyu, Yu Liang, et al. The development of bipolar Marx pulse generator based on magnetic isolated driver[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(8): 2015-2024.
[17] 许宁, 米彦, 李政民, 等. 用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器[J]. 电工技术学报, 2023, 38(13): 3413-3424.
Xu Ning, Mi Yan, Li Zhengmin, et al. All-solid-state bipolar linear transformer drive-type pulse current generator for inductive loads[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(13): 3413-3424.
[18] 魏新劳, 郭政良, 王浩然. 双极性高频高压方波脉冲电源研究述评[J]. 重庆大学学报, 2017, 40(6): 36-46.
Wei Xinlao, Guo Zhengliang, Wang Haoran. Commentary on the research of bipolar high-frequency and high-voltage square wave pulse power supply[J]. Journal of Chongqing University, 2017, 40(6): 36-46.
[19] 熊兰, 马龙, 胡国辉, 等. 具有负载普适性的高压双极性方波脉冲源研制[J]. 电工技术学报, 2015, 30(12): 51-60. Xiong Lan, Ma Long, Hu Guohui, et al. A newly high-voltage square bipolar pulse generator for various loads[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 51-60.
[20] 葛劲伟, 姜松, 饶俊峰, 等. 全固态高压双极性方波脉冲叠加器的研制[J]. 高电压技术, 2019, 45(4): 1305-1312.
Ge Jinwei, Jiang Song, Rao Junfeng, et al. Development of all-solid-state bipolar pulse adder with high voltage rectangular wave pulses output[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1305-1312.
[21] 魏新劳, 丁厦, 石丹丹, 等. 脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制[J]. 电机与控制学报, 2016, 20(7): 24-31.
Wei Xinlao, Ding Sha, Shi Dandan, et al. Development of solid-state high voltage switch for high-voltage pulsed electric field sterilization[J]. Electric Machines and Control, 2016, 20(7): 24-31.
[22] 魏新劳, 李玉龙, 丁厦, 等. 脉冲电压作用下液体食品等效阻抗测量[J]. 高电压技术, 2016, 42(5): 1363-1372.
Wei Xinlao, Li Yulong, Ding Xia, et al. Measurement of liquid food equivalent impedance under impulse voltage[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(5): 1363-1372.
[23] Elserougi A, Massoud A, Ahmed S. Conceptual study of a bipolar modular high voltage pulse generator with sequential charging[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2016, 23(6): 3450-3457.
[24] 迟媛, 弓敏, 马艳秋, 等. 超声协同次氯酸钠杀灭腐败菌效果与动力学研究[J]. 农业机械学报, 2020, 51(7): 372-381.
Chi Yuan, Gong Min, Ma Yanqiu, et al. Bactericidal effect of three typical strains by ultrasonic combined with sodium hypochlorite[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(7): 372-381.
A Bipolar Square-Wave Pulsed Power Supply for Sterilization of Liquid Food
Abstract Pulsed electric fields (PEF) sterilization technology has the advantages of low energy consumption, short sterilization time, high efficiency, and low processing temperature. The high-voltage pulsed electric field acts on the biofilm of the cell to form a transmembrane voltage. When the trans-mode voltage exceeds a certain critical value, cells rupture and ultimately die completely. The sterilization technology has a small temperature rise and can maximize the retention of food nutrition and flavor taste. This non-thermal sterilization technology has received extensive attention. At present, the bipolar pulse power supply solves the tailing phenomenon in the sterilization of liquid food by means of discharge circuit and controlling the conduction time of solid state switch, but the tailing phenomenon still exists, which will cause the temperature of the treated liquid to rise, damage food nutrition, affect taste, and lead to the abnormal discharge of the treated liquid.
A new topology structure based on Marx circuit is proposed. This topology reduces the number of semiconductor switches used. A discharge circuit for residual charges of diverse loads is designed. The working process of the new topology circuit is introduced in detail. Combined with the control of the conduction sequence of the semiconductor switch in the bipolar pulse circuit, the output of the bipolar square wave pulse is realized. The feasibility analysis of the three-stage bipolar square wave pulse circuit is carried out by using OrCAD simulation software. It is verified by simulation that the output waveform of the power supply is still a square wave under the resistance-capacitance load, which realizes the steepening of the bipolar square wave pulse waveform. At the same time, it is verified that the circuit has clamping function. The experimental prototype of a three-stage bipolar square wave pulse power supply is designed and built. The performance index of the pulse power supply prototype and the selection of the main components are given. The solid-state switch uses ABB's 5SNE0800E330100 module containing an anti-parallel diode and a separate diode module. The module can make the power supply structure more compact, reduce the inductance component of the circuit, and improve the rising edge of the bipolar square wave pulse. The test results show that the bipolar pulse power supply achieves a high-voltage pulse output of ±6 kV and 50～500 Hz. The output pulse width is 2～20 μs. The rising edge and falling edge of the positive and negative pulses are within 300 ns. By designing a circuit to discharge the load in a timely manner, the pulse tail is significantly steepened, and it has good load adaptability.
A bipolar square wave pulse power supply sterilization experimental platform was established. The high voltage pulse sterilization system platform is mainly composed of bipolar square wave pulse power supply, liquid device to be treated, water pump, degassing treatment room, sterilization treatment room, liquid device after treatment, temperature control device and measuring device. Taking the bacteria naturally existing in raw egg white as an example, the sterilization experiment was carried out to study the sterilization effect under different amplitude, frequency and pulse width of high voltage pulse power supply output. The results show that increasing the voltage amplitude, frequency and width of bipolar square wave pulse output can enhance the sterilization effect of liquid food, and the increase of pulse voltage amplitude can improve the sterilization effect more significantly. However, the increase of pulse voltage amplitude, frequency and pulse width will lead to the temperature rise of liquid food and lead to abnormal discharge. Therefore, it is necessary to adjust three parameters reasonably to control the temperature rise of liquid food in order to achieve better sterilization effect.
keywords：High voltage pulse electric field, pulse sterilization, bipolar square wave, Marx circuit
中图分类号：TM832
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230940
收稿日期 2023-06-23
改稿日期 2023-08-16
朱 博 男，1987年生，副教授，博士生导师，研究方向为脉冲功率技术、电气设备绝缘监测与诊断技术。
E-mail：zhubo1219@163.com
吴国延 男，1996年生，助理工程师，硕士，研究方向为脉冲功率技术、电厂化学运行及监督。
E-mail：jackma0630@outlook.com（通信作者）
（编辑 李 冰）