工業(yè)微波磁控管開(kāi)關(guān)電源系統設計

　　研究了磁控管驅動(dòng)電源的設計方法。主電路采用諧振拓撲結構，易于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，利用升壓高頻變壓器的漏感作為諧振電路的一部分，簡(jiǎn)化了主電路設計。采用磁控管陽(yáng)極高壓和燈絲供電電壓分開(kāi)方案，實(shí)現燈絲電流隨功率變化，來(lái)提高磁控管的使用壽命。使用PWM 芯片設計了主控制電路，通過(guò)外部給定信號實(shí)現電源功率調節。設計的電源具有燈絲電流過(guò)小、高壓過(guò)壓、過(guò)功率、高壓短路和過(guò)溫等多重保護。在1500W 的樣機上進(jìn)行了實(shí)驗，對設計方法的有效性進(jìn)行了驗證。

　　磁控管是一種用來(lái)產(chǎn)生微波能的電真空器件。實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)置于恒定磁場(chǎng)中的二極管。管內電子在相互垂直的恒定磁場(chǎng)和電場(chǎng)的控制下，與高頻電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，把從電場(chǎng)中獲得能量轉變成微波能量。微波加熱具有加熱均勻、速度快、熱效率高、容易實(shí)現自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。與傳統的加熱技術(shù)相比，微波加熱無(wú)疑具有極大的吸引力和廣闊的工業(yè)應用前景，并將逐步取代傳統的加熱技術(shù)。因此設計一種性能穩定、高效節能的磁控管驅動(dòng)電源具有極高的科研價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

　　傳統的磁控管驅動(dòng)電源采用工頻變壓器升壓、二極管、電容組成的倍壓電路產(chǎn)生陽(yáng)極高壓，輸出的陽(yáng)極電壓是周期為20ms，占空比近似50%的類(lèi)方波信號。該結構體積大、笨重、損耗大，對電網(wǎng)諧波污染嚴重，功率因數低。同時(shí)目前市場(chǎng)上的微波電源不管磁控管是否工作，燈絲長(cháng)期處于較大的電流下，壽命會(huì )受到影響。本文設計的電源適合不同磁控管的驅動(dòng)要求，采用磁控管陽(yáng)極高壓和燈絲供電電壓分開(kāi)方案。電源的燈絲電流隨微波輸出功率變化，可以提高磁控管的使用壽命。為了合理地利用高壓變壓器的漏感和分布電容，確定了電源的拓撲結構為諧振變換器，易于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。在PWM 控制硬件基礎上，實(shí)現系統的功率控制，可以通過(guò)外部電壓信號在1500W內調節微波輸出功率。設計的微波電源具有體積小、高效節能等優(yōu)點(diǎn)、能實(shí)現高壓過(guò)壓、過(guò)功率、高壓短路和過(guò)溫等多重保護。

1、電源系統的整體設計

　　圖1為電源的總體框圖，分三個(gè)部分：陽(yáng)極高壓、燈絲供電、信號控制和調理電路。220V交流市電經(jīng)過(guò)整流濾波變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。該直流電經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò )和高頻變壓器后變成高壓交流電，經(jīng)高頻整流濾波之后輸出直流負高壓，然后給磁控管陰極提供脈動(dòng)負高壓。前級全橋逆變高壓部分的開(kāi)關(guān)管有過(guò)流和過(guò)壓保護電路，采樣信號經(jīng)調理模塊送給UC3524實(shí)現閉環(huán)控制。當檢測到高壓電壓過(guò)壓及出現打弧開(kāi)關(guān)管電流過(guò)流時(shí)，由電路控制系統關(guān)斷諧振網(wǎng)絡(luò )的驅動(dòng)信號，停止向后級電路供電，從而起到保護電源的目的。

圖1　電源系統結構框圖

2、主要電路及控制方法

2.1、陽(yáng)極高壓電源設計

　　圖2示出了電源陽(yáng)極高壓主電路結構。采用TI公司生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調制芯片UC3524。陽(yáng)極高壓部分采用全橋變換與諧振網(wǎng)絡(luò )結構，易于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)管的損耗，提高電源的效率。利用高頻變壓器的漏感作為諧振電感，簡(jiǎn)化電路設計。電源的額定功率為1500 W，最大輸出電壓為5000V的負高壓�？紤]到高壓爬電距離，如果采用單個(gè)變壓器繞制，則所需的變壓器變比高，體積大。本設計中，采用變壓器升壓及二倍壓電路來(lái)產(chǎn)生高壓。輸出采用三個(gè)型號和繞制工藝相同的變壓器，初級串聯(lián)輸入，次級并聯(lián)輸出，以此減少單個(gè)變壓器的線(xiàn)徑、體積及爬電距離，增大安全性。由于變壓器副邊輸出為高壓，所以變壓器初次級應留有安全的爬電距離。采用UF型號的磁芯，將變壓器初級線(xiàn)圈與次級線(xiàn)圈分開(kāi)繞制，而不采用傳統的疊加繞法，防止高壓擊穿。對于某一型號的磁控管，當陽(yáng)極高壓低于3.5kV 時(shí)，磁控管不輸出微波;高于5kV時(shí)，陽(yáng)極與陰極間容易發(fā)生擊穿現象，陽(yáng)極高壓正常供電范圍在3.5～5kV 之間�？紤]到磁控管本身散熱以及加熱工藝的需要，讓磁控管間隙式的輸出微波，故設計主電路時(shí)，濾波電容C1的容量只有幾微法，這樣供給變換器的直流是脈動(dòng)變化范圍很大的，輸出陽(yáng)極高壓也是脈動(dòng)的。

圖2　陽(yáng)極高壓主電路原理圖

2.2、燈絲電源設計

　　圖3為燈絲供電主電路。220V交流電整流濾波之后，經(jīng)過(guò)半橋諧振拓撲給燈絲提供3～5V的電壓。半橋諧振拓撲中的MOS管采用ST 公司的P10NK80ZFP�？刂齐娐分餍酒�采用ST公司的諧振控制器L6599，它是一款用于諧振半橋拓撲電路的精確的雙端控制器。能提供50%的占空比，通過(guò)工作頻率來(lái)調整輸出電壓。在Q1和Q2開(kāi)關(guān)之間插入一個(gè)固定的死區時(shí)間來(lái)保證軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現和能夠工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖3　燈絲電壓原理圖