灯丝电流联动的5kW微波电源

2018-09-21印长豹邓永峰高龙芮庆张辰

电子制作 2018年15期

印长豹，邓永峰，高龙，芮庆，张辰

（合肥博雷电气有限公司，安徽合肥，230088）

0 引言

微波能作为一种新型高效的加热能源，在物料干燥提纯、杀菌、冶炼、陶瓷烧结、垃圾处理、污水处理、化学催化反应以及微波等离子体等领域得到了广泛应用，而作为微波产生元件的磁控管[1]，具有功率大、效率高、尺寸小、成本低的特点，为目前微波能应用的首选。

微波输出功率为3.5kW的磁控管为较成熟与常用的磁控管，其阳极电源的功率为5kW，电压5.4kV，灯丝预热电流22A，工作电流12A。

本文介绍一种基于3.5kW磁控管的微波电源系统[2]，集成一台5kW开关电源模块和一台100W灯丝电源模块。5kW开关电源模块作为阳极直流电源，并具有恒流稳压特性，输出稳定，体积小，效率高。100W灯丝电源模块具有恒流输出特性，输出稳定。同时，灯丝电流可跟随阳极电流变化而变化，可有效降低阴极温度，使磁控管工作在最佳状态，提高磁控管寿命。

1 微波电源系统设计

微波电源系统原理如图1所示。

图1 电源系统原理图

电源系统由1个阳极电源模块、1个灯丝电源模块和控制电路组成，每台电源可提供电压电流采样信号、故障信号给控制电路。

1.1 阳极电源模块

1.1.1 指标与组成

阳极电源设计指标为：输入电压：AC350～420V；输出功率：5kW；输出电压：最高DC5.4kV；纹波∶ 0.5%；负载调整率∶0.3%；效率：≥89%；冷却方式：强迫风冷。

阳极电源采用并联谐振拓扑[3]，其原理如图2所示。

图2 阳极电源技术原理图

阳极电源模块主要分为5个部分：①为整流滤波及PFC部分，②为谐振逆变部分，③为功率变压器，④为高压整流滤波及采样部分，⑤为电源的控制部分。

1.1.2 工作原理分析

工作时，其电流波形图3所示。

图3 电流波形

见图3，t0时刻，控制部分5控制V1与V4导通，谐振电容C1与变压器3的分布电容折合到变压器初级后与谐振电感L1串联谐振，此时相当于变压器3的次级短路，不向次级传递能量；t1时刻，谐振结束，电流开始从变压器3初级流过，向次级传递能量；t2时刻，控制部分5控制V1与V4关断，由于谐振电感L1的续流作用，电流继续从变压器3初级流过，并且使二极管D2与D3导通，电流流回供电端，电流开始下降；t3时刻，控制部分5控制V2与V3开启，此时由于D2与D3的导通，使V2和V3的电压被锁定，因此此时V2与V3无开启损耗；t4时刻，电流续流结束，电流换向，由于电容极性与电流相反，此时谐振电感L1与谐振电容C1再次进行串联谐振，直到t5时刻谐振结束，这段时间内同样不向次级传递能量，t5时刻后，工作方式同上半周期。

1.1.3 优势分析

①电源工作在连续状态，较串联谐振占空比大，故峰值电流较小，损耗小；

②开关管工作在软开关状态，开关损耗小，电源效率高；

③由于将谐振电容放在变压器次级，与变压器的分布电容折合到初级后与谐振电感谐振，形成了谐振电感—漏感—分布电容+谐振电容的形式，将变压器的漏感与分布电容完全利用上；

④在输出短路时，初级谐振回路为桥式电路对电感充放电形式，波形为三角波，电源不会产生电流尖峰，导致开关管损坏。即电源可以在短路情况下正常工作，因此电源具有较强的抗打火能力；

⑤由于谐振电感的存在，电源表现为恒流特性，较适合连续波磁控管工作。

1.2 灯丝电源模块

1.2.1 指标与组成

图4a 灯丝电源技术框图

图4b 灯丝电源原理图

灯丝电源设计指标为：输入电压：AC198V～242V；灯丝预热电压：DC4.6V；灯丝预热电流：22A；灯丝工作电流：12A；电源调整率：≤5%；效率：≥90%。

灯丝电源采用半桥拓扑的方式，其原理如图4所示。

灯丝电源模块主要分为5个部分：①为整流滤波及PFC部分，②为逆变部分，③为功率变压器，④为整流滤波及采样部分，⑤为电源的控制部分。

通过控制V1、V2的调频交替导通，推动高频开关变压器，再通过次级整流，实现直流灯丝电压输出。

1.2.2 关键技术

（1）高压隔离

灯丝电源悬浮于阴极电位之上，需要对输出进行隔离。如采用工频变压器隔离，则体积大，效率低。这里采用开关电源的开关变压器实现隔离，通过增加初次级的绝缘强度，实现初次级线包10kVDC的隔离电压，确保灯丝的稳定工作，减小了电源的体积。

（2）悬浮采样

要实现稳定可靠灯丝电源的输出，需要对输出电流与电压进行采样，通过控制部分进行闭环控制。灯丝电源悬浮于阴极电位之上，为高压部分，无法直接采样。这里采用隔离式压频、频压转换方法，通过高频变压器辅助绕组给次级电路供电，将电流与电压信号转换为频率信号，通过脉冲变压器隔离后送至低压侧，再变化为电压信号，用来闭环与显示。

1.2.3 优势分析

（1）直流灯丝可实现稳定输出，对提高磁控管寿命具有一定的积极意义。

（2）采用开关电源方式可实现的对灯丝电源的缓启动，减小对灯丝的冲击，可提高磁控管寿命。

（3）灯丝电源输出电流与阳极电源输出电流联动调节，可以降低磁控管灯丝的工作温度，延长使用寿命。

1.3 微波电源系统

系统控制部分采用硬件电路实现，控制部分实现了如下功能：

（1）灯丝电源和阳极高压电源的开关机逻辑连锁控制：灯丝电源先开机，高压电源才能开机；高压电源关机，灯丝电源不随之关机；灯丝电源关机，高压电源同时随之关机。

（2）系统采样阳极电流与灯丝电流，并通过预置曲线，根据阳极电流的大小，调整灯丝电流的大小。

（3）电压电流显示：通过VF转换隔离采集灯丝电源输出电压、电流和阳极电源输出电压、电流的采样信号，通过数显表置于电源面板显示。

（4）远程遥控：通过面板的按钮可切换至远程控制状态，并隔离电源外部信号。

2 样机及工程化应用

5kW微波电源指标为：输入电压：AC350～420V；输出阳极电压：DC5.4kV；输出阳极电流：920mA；阳极电压纹波：0.4%；灯丝预热电压：DC4.6V；灯丝预热电流：22A；灯丝工作电流：12A；整机效率：≥85%；冷却方式：强迫风冷；体积：19英寸5U标准插箱，宽＊高＊深：482＊221＊456（mm）；灯丝电源调节：可根据磁控管特性预置变化曲线。实物如图5所示。