印長(zhǎng)豹，鄧永峰，高龍，芮慶，張辰

（合肥博雷電氣有限公司，安徽合肥，230088）

0 引言

微波能作為一種新型高效的加熱能源，在物料干燥提純、殺菌、冶煉、陶瓷燒結(jié)、垃圾處理、污水處理、化學(xué)催化反應(yīng)以及微波等離子體等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而作為微波產(chǎn)生元件的磁控管[1]，具有功率大、效率高、尺寸小、成本低的特點(diǎn)，為目前微波能應(yīng)用的首選。

微波輸出功率為3.5kW的磁控管為較成熟與常用的磁控管，其陽(yáng)極電源的功率為5kW，電壓5.4kV，燈絲預(yù)熱電流22A，工作電流12A。

本文介紹一種基于3.5kW磁控管的微波電源系統(tǒng)[2]，集成一臺(tái)5kW開(kāi)關(guān)電源模塊和一臺(tái)100W燈絲電源模塊。5kW開(kāi)關(guān)電源模塊作為陽(yáng)極直流電源，并具有恒流穩(wěn)壓特性，輸出穩(wěn)定，體積小，效率高。100W燈絲電源模塊具有恒流輸出特性，輸出穩(wěn)定。同時(shí)，燈絲電流可跟隨陽(yáng)極電流變化而變化，可有效降低陰極溫度，使磁控管工作在最佳狀態(tài)，提高磁控管壽命。

1 微波電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微波電源系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)原理圖

電源系統(tǒng)由1個(gè)陽(yáng)極電源模塊、1個(gè)燈絲電源模塊和控制電路組成，每臺(tái)電源可提供電壓電流采樣信號(hào)、故障信號(hào)給控制電路。

1.1 陽(yáng)極電源模塊

1.1.1 指標(biāo)與組成

陽(yáng)極電源設(shè)計(jì)指標(biāo)為：輸入電壓：AC350～420V；輸出功率：5kW；輸出電壓：最高DC5.4kV；紋波∶ 0.5%；負(fù)載調(diào)整率∶0.3%；效率：≥89%；冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷。

陽(yáng)極電源采用并聯(lián)諧振拓?fù)鋄3]，其原理如圖2所示。

圖2 陽(yáng)極電源技術(shù)原理圖

陽(yáng)極電源模塊主要分為5個(gè)部分：①為整流濾波及PFC部分，②為諧振逆變部分，③為功率變壓器，④為高壓整流濾波及采樣部分，⑤為電源的控制部分。

1.1.2 工作原理分析

工作時(shí)，其電流波形圖3所示。

圖3 電流波形

見(jiàn)圖3，t0時(shí)刻，控制部分5控制V1與V4導(dǎo)通，諧振電容C1與變壓器3的分布電容折合到變壓器初級(jí)后與諧振電感L1串聯(lián)諧振，此時(shí)相當(dāng)于變壓器3的次級(jí)短路，不向次級(jí)傳遞能量；t1時(shí)刻，諧振結(jié)束，電流開(kāi)始從變壓器3初級(jí)流過(guò)，向次級(jí)傳遞能量；t2時(shí)刻，控制部分5控制V1與V4關(guān)斷，由于諧振電感L1的續(xù)流作用，電流繼續(xù)從變壓器3初級(jí)流過(guò)，并且使二極管D2與D3導(dǎo)通，電流流回供電端，電流開(kāi)始下降；t3時(shí)刻，控制部分5控制V2與V3開(kāi)啟，此時(shí)由于D2與D3的導(dǎo)通，使V2和V3的電壓被鎖定，因此此時(shí)V2與V3無(wú)開(kāi)啟損耗；t4時(shí)刻，電流續(xù)流結(jié)束，電流換向，由于電容極性與電流相反，此時(shí)諧振電感L1與諧振電容C1再次進(jìn)行串聯(lián)諧振，直到t5時(shí)刻諧振結(jié)束，這段時(shí)間內(nèi)同樣不向次級(jí)傳遞能量，t5時(shí)刻后，工作方式同上半周期。

1.1.3 優(yōu)勢(shì)分析

①電源工作在連續(xù)狀態(tài)，較串聯(lián)諧振占空比大，故峰值電流較小，損耗?。?/p>

②開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗小，電源效率高；

③由于將諧振電容放在變壓器次級(jí)，與變壓器的分布電容折合到初級(jí)后與諧振電感諧振，形成了諧振電感—漏感—分布電容+諧振電容的形式，將變壓器的漏感與分布電容完全利用上；

④在輸出短路時(shí)，初級(jí)諧振回路為橋式電路對(duì)電感充放電形式，波形為三角波，電源不會(huì)產(chǎn)生電流尖峰，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損壞。即電源可以在短路情況下正常工作，因此電源具有較強(qiáng)的抗打火能力；

⑤由于諧振電感的存在，電源表現(xiàn)為恒流特性，較適合連續(xù)波磁控管工作。

1.2 燈絲電源模塊

1.2.1 指標(biāo)與組成

圖4a 燈絲電源技術(shù)框圖

圖4b 燈絲電源原理圖

燈絲電源設(shè)計(jì)指標(biāo)為：輸入電壓：AC198V～242V；燈絲預(yù)熱電壓：DC4.6V；燈絲預(yù)熱電流：22A；燈絲工作電流：12A；電源調(diào)整率：≤5%；效率：≥90%。

燈絲電源采用半橋拓?fù)涞姆绞?，其原理如圖4所示。

燈絲電源模塊主要分為5個(gè)部分：①為整流濾波及PFC部分，②為逆變部分，③為功率變壓器，④為整流濾波及采樣部分，⑤為電源的控制部分。

通過(guò)控制V1、V2的調(diào)頻交替導(dǎo)通，推動(dòng)高頻開(kāi)關(guān)變壓器，再通過(guò)次級(jí)整流，實(shí)現(xiàn)直流燈絲電壓輸出。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）高壓隔離

燈絲電源懸浮于陰極電位之上，需要對(duì)輸出進(jìn)行隔離。如采用工頻變壓器隔離，則體積大，效率低。這里采用開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，通過(guò)增加初次級(jí)的絕緣強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)初次級(jí)線(xiàn)包10kVDC的隔離電壓，確保燈絲的穩(wěn)定工作，減小了電源的體積。

（2）懸浮采樣

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠燈絲電源的輸出，需要對(duì)輸出電流與電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)控制部分進(jìn)行閉環(huán)控制。燈絲電源懸浮于陰極電位之上，為高壓部分，無(wú)法直接采樣。這里采用隔離式壓頻、頻壓轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)高頻變壓器輔助繞組給次級(jí)電路供電，將電流與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，通過(guò)脈沖變壓器隔離后送至低壓側(cè)，再變化為電壓信號(hào)，用來(lái)閉環(huán)與顯示。

1.2.3 優(yōu)勢(shì)分析

（1）直流燈絲可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，對(duì)提高磁控管壽命具有一定的積極意義。

（2）采用開(kāi)關(guān)電源方式可實(shí)現(xiàn)的對(duì)燈絲電源的緩啟動(dòng)，減小對(duì)燈絲的沖擊，可提高磁控管壽命。

（3）燈絲電源輸出電流與陽(yáng)極電源輸出電流聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，可以降低磁控管燈絲的工作溫度，延長(zhǎng)使用壽命。

1.3 微波電源系統(tǒng)

系統(tǒng)控制部分采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，控制部分實(shí)現(xiàn)了如下功能：

（1）燈絲電源和陽(yáng)極高壓電源的開(kāi)關(guān)機(jī)邏輯連鎖控制：燈絲電源先開(kāi)機(jī)，高壓電源才能開(kāi)機(jī)；高壓電源關(guān)機(jī)，燈絲電源不隨之關(guān)機(jī)；燈絲電源關(guān)機(jī)，高壓電源同時(shí)隨之關(guān)機(jī)。

（2）系統(tǒng)采樣陽(yáng)極電流與燈絲電流，并通過(guò)預(yù)置曲線(xiàn)，根據(jù)陽(yáng)極電流的大小，調(diào)整燈絲電流的大小。

（3）電壓電流顯示：通過(guò)VF轉(zhuǎn)換隔離采集燈絲電源輸出電壓、電流和陽(yáng)極電源輸出電壓、電流的采樣信號(hào)，通過(guò)數(shù)顯表置于電源面板顯示。

（4）遠(yuǎn)程遙控：通過(guò)面板的按鈕可切換至遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，并隔離電源外部信號(hào)。

2 樣機(jī)及工程化應(yīng)用

5kW微波電源指標(biāo)為：輸入電壓：AC350～420V；輸出陽(yáng)極電壓：DC5.4kV；輸出陽(yáng)極電流：920mA；陽(yáng)極電壓紋波：0.4%；燈絲預(yù)熱電壓：DC4.6V；燈絲預(yù)熱電流：22A；燈絲工作電流：12A；整機(jī)效率：≥85%；冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷；體積：19英寸5U標(biāo)準(zhǔn)插箱，寬＊高＊深：482＊221＊456（mm）；燈絲電源調(diào)節(jié)：可根據(jù)磁控管特性預(yù)置變化曲線(xiàn)。實(shí)物如圖5所示。

圖5 5kW微波電源外形圖

本電源已經(jīng)在多種領(lǐng)域得到應(yīng)用，目前已交付數(shù)十臺(tái)，產(chǎn)品可靠穩(wěn)定，具體較高的推廣價(jià)值。

3 結(jié)論

本文介紹了燈絲電流聯(lián)動(dòng)的5kW微波電源，效率高，體積小，內(nèi)部集成陽(yáng)極高壓電源模塊、直流燈絲電源模塊和系統(tǒng)控制，燈絲電流可跟隨陽(yáng)極電流按一定的曲線(xiàn)變化，可在很大程度上提高磁控管的使用壽命，提高微波源性?xún)r(jià)比。