工業(yè)微波磁控管開關電源系統(tǒng)設計
研究了磁控管驅(qū)動電源的設計方法。主電路采用諧振拓撲結構，易于實現(xiàn)軟開關，利用升壓高頻變壓器的漏感作為諧振電路的一部分，簡化了主電路設計。采用磁控管陽極高壓和燈絲供電電壓分開方案，實現(xiàn)燈絲電流隨功率變化，來提高磁控管的使用壽命。使用PWM 芯片設計了主控制電路，通過外部給定信號實現(xiàn)電源功率調(diào)節(jié)。設計的電源具有燈絲電流過小、高壓過壓、過功率、高壓短路和過溫等多重保護。在1500W 的樣機上進行了實驗，對設計方法的有效性進行了驗證。
磁控管是一種用來產(chǎn)生微波能的電真空器件。實質(zhì)上它是一個置于恒定磁場中的二極管。管內(nèi)電子在相互垂直的恒定磁場和電場的控制下，與高頻電磁場發(fā)生相互作用，把從電場中獲得能量轉(zhuǎn)變成微波能量。微波加熱具有加熱均勻、速度快、熱效率高、容易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的加熱技術相比，微波加熱無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(tǒng)的加熱技術。因此設計一種性能穩(wěn)定、高效節(jié)能的磁控管驅(qū)動電源具有極高的科研價值和商業(yè)價值。
傳統(tǒng)的磁控管驅(qū)動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)生陽極高壓，輸出的陽極電壓是周期為20ms，占空比近似50%的類方波信號。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(shù)低。同時目前市場上的微波電源不管磁控管是否工作，燈絲長期處于較大的電流下，壽命會受到影響。本文設計的電源適合不同磁控管的驅(qū)動要求，采用磁控管陽極高壓和燈絲供電電壓分開方案。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，易于實現(xiàn)軟開關。在PWM 控制硬件基礎上，實現(xiàn)系統(tǒng)的功率控制，可以通過外部電壓信號在1500W內(nèi)調(diào)節(jié)微波輸出功率。設計的微波電源具有體積小、高效節(jié)能等優(yōu)點、能實現(xiàn)高壓過壓、過功率、高壓短路和過溫等多重保護。
1、電源系統(tǒng)的整體設計
圖1為電源的總體框圖，分三個部分：陽極高壓、燈絲供電、信號控制和調(diào)理電路。220V交流市電經(jīng)過整流濾波變?yōu)槊}動的直流電。該直流電經(jīng)過諧振網(wǎng)絡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負高壓。前級全橋逆變高壓部分的開關管有過流和過壓保護電路，采樣信號經(jīng)調(diào)理模塊送給UC3524實現(xiàn)閉環(huán)控制。當檢測到高壓電壓過壓及出現(xiàn)打弧開關管電流過流時，由電路控制系統(tǒng)關斷諧振網(wǎng)絡的驅(qū)動信號，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(tǒng)結構框圖
2、主要電路及控制方法
2.1、陽極高壓電源設計
圖2示出了電源陽極高壓主電路結構。采用TI公司生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制芯片UC3524。陽極高壓部分采用全橋變換與諧振網(wǎng)絡結構，易于實現(xiàn)軟開關，減小開關管的損耗，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產(chǎn)生高壓。輸出采用三個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，以此減少單個變壓器的線徑、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，將變壓器初級線圈與次級線圈分開繞制，而不采用傳統(tǒng)的疊加繞法，防止高壓擊穿。對于某一型號的磁控管，當陽極高壓低于3.5kV 時，磁控管不輸出微波;高于5kV時，陽極與陰極間容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象，陽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，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變化范圍很大的，輸出陽極高壓也是脈動的。
圖2 陽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。控制電路主芯片采用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，通過工作頻率來調(diào)整輸出電壓。在Q1和Q2開關之間插入一個固定的死區(qū)時間來保證軟開關的實現(xiàn)和能夠工作于高頻開關狀態(tài)。
圖3 燈絲電壓原理圖
