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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，能够最大限度地保留液体食品的营养成分与风味口感。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，且灭菌处理室和液体食品所构成的阻容性负载在脉冲放电后，负载上电压不能快速置零而造成脉冲拖尾会造成液体异常放电和灭菌效率下降，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。 哈尔滨理工大学高电压技术系的朱博、马成勇、吴国延、苏贺和魏新劳在2024年第16期《电工技术学报》上撰文，设计了一种用于液体灭菌实验的双极性方波脉冲电源，对传统Marx电路进行了改进，减少了半导体开关的使用数量，具有良好的电压钳位功能，解决了容性负载下输出方波拖尾而导致被处理液体异常放电的问题，电源的输出波形具有陡上升沿的同时具有良好的负载适应能力和过电流保护功能。 所提出的双极性脉冲电源是基于传统Marx电路而提出的新型拓扑结构，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，设计了用于多样性负载残余电荷的放电回路，显著陡化了脉冲拖尾，同时优化了对电路中半导体开关的控制策略，简化了控制电路，提高了电源的可靠性。 研究人员首先对双极性脉冲电源的工作原理进行了阐述，然后利用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；接着，设计并搭建了3级双极性方波脉冲电源的实验样机；最后，搭建了双极性方波脉冲电源灭菌实验平台，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，实验结果表明合理地调控三个参数来控制液体食品的温升可获得良好的灭菌效果。
研究背景
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，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。高压脉冲电场灭菌技术利用高压脉冲电场作用于细胞的生物膜上形成跨膜电压，当跨模电压超过某一临界值，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营养与风味口感，因此，这一非热灭菌技术受到了广泛关注。
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，研究结果表明方波脉冲灭菌效果最好。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；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。
论文所解决的问题及意义
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高，破坏食品营养、影响口感，同时可能导致被处理液体异常放电。
所研发的用于液体灭菌实验的双极性方波脉冲电源，对Marx电路进行了改进，减少了IGBT的使用数量，通过改变半导体开关导通与关断的时序控制，能够将负载上的残余电荷快速释放，显著陡化了脉冲拖尾，使电源输出电压波形近似于方波脉冲，电源输出电压、脉冲宽度和频率均可调且能够输出较大的电流，满足高电导率液体食品对大功率陡脉冲的高压脉冲电源的灭菌要求。
论文方法及创新点
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，通过开关器件将多级电路级联，使电压的逐级叠加，实现高电压的输出，对传统Marx电路结构进行了改进，其电路拓扑结构及充放电过程如下。
图1 双极性方波脉冲拓扑电路
图2 双极性方波脉冲电路充电过程
图3 正极性脉冲放电过程
图4 正极性脉冲截尾回路
图5 负极性脉冲放电过程
图6 负极性脉冲截尾回路
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3级Marx拓扑电路为例进行搭建。双极性方波脉冲电源如图7示。
图7 双极性方波脉冲电源
（a）脉冲电压全貌
（b）正极性脉冲局部放大图
（c）负极性脉冲局部放大图
图8 无截尾时阻容性负载下脉冲输出波形
（a）脉冲电压全貌
（b）正极性脉冲局部放大图
（c）负极性脉冲局部放大图
图9 有截尾时阻容性负载下脉冲电源输出波形
双极性脉冲电源可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，解决了阻容性负载的拖尾问题。
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10所示。
图10 灭菌系统平台示意图
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。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，即每秒作用于每16.6 mL被处理液体的脉冲个数为500。每次实验取五组满足温升要求的样本，经培养基进行培养获得菌落，高压脉冲电场处理前后生鸡蛋清内的菌落如图11所示。
图11 生鸡蛋清处理前后菌落对比
双极性与单极性方波脉冲的灭菌效果、脉冲频率对灭菌效果的影响、脉冲宽度对灭菌效果的影响如下：
图12 双极性和单极性灭菌效果对比
图13 脉冲频率与细菌残存率的关系
图14 脉冲宽度与细菌残存率的关系
电源输出的电压幅值、频率和脉冲宽度均会影响生鸡蛋液中细菌的灭菌效果，电压幅值的提高对灭菌效果的提升更加显著。
结论
1）研制出一种用于液体灭菌实验的双极性方波脉冲电源，对Marx电路进行了改进，减少了IGBT的使用数量，具有良好的电压钳位功能。改变了对IGBT导通与关断的时序控制，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）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。
团队介绍
研究人员隶属于哈尔滨理工大学高电压技术系高压电力设备智能运维技术团队，团队负责人为刘骥教授，团队现有教授3人，副教授4人，讲师1人。团队承担国家、省部、企事业课题项目50余项，发表中国电机工程学报、IEEE Trans等国内外期刊SCI/EI论文300余篇，授权及转化发明专利80余项，获国家进步二等奖、黑龙江省部级科技进步二等奖、中国电力科技进步二等奖等共计5项，培养博士、硕士研究生230余人。
朱博
副教授，博士生导师。主要从事电气设备绝缘监测与故障诊断技术、自修复型复合材料的开发与应用、脉冲功率技术等研究工作。主持国家自然科学基金项目1项，其他省部厅级项目3项，参与国家自然基金课题3项，参与企业委托课题10余项，发表SCI/EI期刊论文40余篇，获得授权发明专利10余项。
魏新劳
教授，博士生导师。主要从事高电压试验技术和电气设备绝缘检测和诊断、高电压应用新技术等方面的研究工作。在电力电缆试验与故障定位、空心电抗器试验等方面先后开发出了行业急需的试验技术和设备，并得到了推广。主持完成国家自然科学基金项目1项、省部级项目2项，科研成果获省部级科技进步二等奖和三等奖各1项，发票学术论文150余篇，获得授权发明专利20余项。
本工作成果发表在2024年第16期《电工技术学报》，论文标题为“用于液体食品灭菌的双极性方波脉冲电源“。
引用本文
朱博, 马成勇, 吴国延, 苏贺, 魏新劳. 用于液体食品灭菌的双极性方波脉冲电源[J]. 电工技术学报, 2024, 39(16): 5121-5133. Zhu Bo, Ma Chengyong, Wu Guoyan, Su He, Wei Xinlao. A Bipolar Square-Wave Pulsed Power Supply for Sterilization of Liquid Food. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(16): 5121-5133.
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