軟開關(guān)電源在微波高溫設(shè)備中的應(yīng)用研究

李鑫培 李超 王榕 陳正標 張世敏

摘要： 提出一種基于LCC諧振變換器和全橋整流電路相結(jié)合的微波供電電源替代傳統(tǒng)電源，并以恒功率-時間控制方式調(diào)控微波功率，確保磁控管在額定工況下，穩(wěn)定工作、可靠運行；采用軟開關(guān)電源研發(fā)的2kW新型微波高溫設(shè)備，以PLC為系統(tǒng)控制器，設(shè)有自動、手動、恒溫、恒功率等操作模式，明顯提高了電源效率、壓縮了整機體積，實現(xiàn)了升溫迅速、功率穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)，提高了微波設(shè)備的智能化程度和加熱效果，特別適用于微波高溫實驗研究。

Abstract： A microwave power supply based on the combination of an LCC resonant converter and a full-bridge rectifier circuit is proposed to replace the traditional power supply. The microwave power is controlled by a constant power-time control method to ensure that the magnetron operates stably under rated conditions. The 2kW new microwave high temperature equipment developed by soft switching power supply takes PLC as the system controller， with automatic， manual， constant temperature， constant power and other modes of operation， significantly improving the power efficiency， compressing the machine volume， and achieving rapid heating， power stability， continuous adjustable， and improving the degree of intelligence and heating effect of microwave equipment， so it is especially suitable for high temperature microwave experimental research.

關(guān)鍵詞： LCC諧振；軟開關(guān)電源；智能化；高溫設(shè)備

Key words： LLC resonance；soft switching power supply；intelligentization；high temperature equipment

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0119-05

0 引言

微波加熱方式可同時加熱物料的表里，而不完全依靠傳統(tǒng)的熱傳導加熱的過程，因此可以在很短的時間內(nèi)達到均勻加熱的效果[1]。微波加熱方式相比于傳統(tǒng)加熱方式具有很多優(yōu)勢，如加熱速度快、加熱均勻，所需時間短，節(jié)省能源等特點[2]。1999年，美國賓州州立大學的Roy等人發(fā)現(xiàn)微波可以加熱并熔化金屬，微波更廣闊的研究空間被打開。目前，美國、加拿大、德國、日本和澳大利亞等國家已在高技術(shù)陶瓷、粉末冶金、礦物冶金和耐火材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[3]。工程實踐證明，微波功率源中磁控管的驅(qū)動電源直接決定微波功率源性能的優(yōu)劣[4]。微波應(yīng)用器中的磁控管正常工作需要有高電壓和大功率的電源供電，傳統(tǒng)的供電電源采用工頻變壓器升壓、整流濾波的方式，不僅效率低，而且設(shè)備體積大而笨重[5]。使用開關(guān)電源可以大大提高電源效率的同時使得設(shè)備質(zhì)輕體小。在開關(guān)管開關(guān)變換過程中，由于和都很大，這將會產(chǎn)生很強的電磁干擾[6]，這種種問題都嚴重影響了電源性能的穩(wěn)定，阻礙了開關(guān)電源的廣泛使用，因此降低開關(guān)電源的開關(guān)損耗具有重要意義。

1 磁控管

1.1 磁控管結(jié)構(gòu)

磁控管是微波應(yīng)用器的核心器件，主要由陰極（燈絲）、陽極、環(huán)形磁鋼、耦合環(huán)、天線（微波能量輸出器）、散熱器和燈絲插頭組成。其中，陽極呈圓筒狀、通常由銅材制成，筒中有多個翼片將陽極分割成十幾個扇形空間，每個扇形空間就是一個陽極諧振腔，其諧振頻率即為磁控管的工作頻率[7]。在陽極的外殼嵌套一對環(huán)形永久磁鋼，磁鋼形成的磁場用于控制陽極腔內(nèi)的微波振蕩能量，陽極輸出的微波能量通過一根環(huán)狀金屬傳送到天線，再由天線向爐內(nèi)發(fā)送微波能，對被加熱物料進行加熱[8]，如圖1和圖2所示。

1.2 磁控管特性

磁控管是一種用來在微波應(yīng)用器中產(chǎn)生微波能的電子真空器件[9]。其實質(zhì)是一個置于恒定磁場中的二極管。管內(nèi)的電子在相互垂直的恒定磁場和恒定電場的控制下，與高頻電磁場發(fā)生相互作用，把從恒定電場中獲得的能量轉(zhuǎn)變成微波能量，從而實現(xiàn)產(chǎn)生微波能的目的[10]。磁控管正常工作時，陰陽兩極之間需要加幾千伏的直流高壓電。陰極塊產(chǎn)生的負高壓使得電子從陰極塊打向陽極塊。磁控管在和陰極平行的方向加磁場，這樣電子流在電場和磁場的共同作用下，最終打到陽極塊開成電流，最后通過天線輸出微波能量[11]，如圖3和圖4所示。

磁控管在正常工作時，先對燈絲進行加熱，同時由于陰極和陽極之間存在高壓電場，在電場的作用下，陰極向陽極發(fā)射電子，陽極接收到電子而形成陽極電流。電子在到達每個扇形陽極諧振腔時，按其諧振頻率震蕩，同時因環(huán)形磁鋼產(chǎn)生的恒定磁場垂直于高壓電場方向，在該磁場作用下，電子沿著陰極、陽極間的圓周空間作擺輪曲線運動，形成一個積聚能量的旋轉(zhuǎn)電子云，并向陽極不斷輸送，從而在陽極上獲得穩(wěn)定的每秒振動頻率約為2.45G的微波振蕩能量。微波能量的大小主要取決于陽極電壓的高低和磁場的強弱，由環(huán)形磁鋼的磁場強度恒定，故而微波輸出功率主要與陽極電壓相關(guān)[12]。磁控管的伏安特性及其等效電路如圖5和圖6所示。

2 微波供電電源

微波應(yīng)用器磁控管的供電電源，主要由3.3V、8A左右的交流燈絲供電電壓和3600V、300mA左右電流的陽極直流高壓組成；微波能量的強弱主要取決于陰陽極兩極電壓的高低和磁場的大小[13]，如圖5所示。從圖中可知，磁控管是一種非線性負載，當陰陽兩端的電壓小于閾值時，呈現(xiàn)出高阻態(tài)，只有陰陽兩端的電壓值超過工作閾值電壓的時候，磁控管才可以工作在震蕩狀態(tài)，發(fā)出微波，此時磁控管呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，從而可以得到如圖6所示的磁控管等效電路模型。圖中，RL為燈絲的電阻，RN為磁控管工作在非震蕩情況下的等效電阻，RY為磁控管工作在震蕩情況下的等效電阻值，VF為磁控管工作在非震蕩區(qū)域和震蕩交界處的閾值電壓，當陰極電壓差小于VF的時候，磁控管將會工作在非震蕩工作區(qū)域，陽極相當于連接開關(guān)Q0處，這個時候的磁控管雖然在工作，但是不能產(chǎn)生微波能量，當陽極的相對陰極電壓值大于VF時，陽極相當于連接到了開關(guān)Q1處，磁控管進行震蕩工作區(qū)域，此時磁控管可以正常的產(chǎn)生微波能量，可對被加熱物料進行加熱[14]。

2.1 模擬型微波供電電源

我國雖然是微波應(yīng)用器的生產(chǎn)大國，但磁控管的供電方式都采用工頻變壓器升壓后再進行倍壓整流的方案[15]。傳統(tǒng)微波應(yīng)用器供電電源電路圖如圖7所示，圖中，S為微波應(yīng)用器總開關(guān)，T為工頻升壓器，M為磁控管，高壓電容C、電阻R以及快恢復(fù)二極管VD構(gòu)成了半波倍壓整流電路，通過AC220V/50Hz的市電輸入并經(jīng)過工頻漏磁變壓器升壓之后，最后經(jīng)過半波倍壓整流電路實現(xiàn)高壓輸出給磁控管的陽極和陰極供電[16]。

模擬型微波供電電源的輸出電壓是無法調(diào)節(jié)的，只能通過控制開關(guān)的打開或者關(guān)斷的時間來調(diào)節(jié)輸出功率，當開關(guān)一直處于閉合狀態(tài)時，微波應(yīng)用器輸出最大功率，如需要減小輸出功率時，則周期性的對開關(guān)進行斷開，這樣就能通過控制開關(guān)的斷開和閉合時間比來對微波應(yīng)用器輸出功率進行調(diào)節(jié)[17]。

由此可見，模擬型微波供電電源并不完善。首先，由于微波應(yīng)用器的磁控管處于斷斷續(xù)續(xù)的工作狀態(tài)，影響加熱效果也容易造成磁控管以及開關(guān)器件的損壞。其次，模擬型微波供電電源工作于工頻狀態(tài)下，工頻變壓器的體積和重量會直接導致微波應(yīng)用器的體積和重量增加[18]。最后，這種工作方式下的微波應(yīng)用器不利于實現(xiàn)智能化控制的需求。

經(jīng)過以上的分析可知，微波供電電源主要作用是給磁控管提供合適的工作電壓，因此，所設(shè)計的供電電源應(yīng)具有電壓波動小、功率連續(xù)可調(diào)的特點。

2.2 開關(guān)型微波供電電源

由于傳統(tǒng)的磁控管驅(qū)動電源采用工頻變壓器升壓后通過二極管、電容組成的倍壓電路產(chǎn)生陽極高壓，輸出周期為20ms、占空比近似50%的類方波陽極電壓。這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電源不但體積大、笨重、損耗大，且對電網(wǎng)諧波污染嚴重，功率因數(shù)低。目前市場上的微波電源不管磁控管工作與否，燈絲都會長期處于較大的電流下，這種情況下壽命會受到影響[19]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究人員對微波電源進行了研究，用開關(guān)電源的方式替代了傳統(tǒng)的供電電源。

微波電源的普遍輸入為市電220V/50Hz的交流電，頻率為50Hz，體積大且笨重。因此，提出采用AC-DC-DC的方法可以有效解決該弊端，其工作原理如圖8所示。

開關(guān)型微波電源對輸入的220V/50Hz市電，進行一次整流濾波后，生成頻率單一、幅值恒定的直流電，再經(jīng)過逆變網(wǎng)絡(luò)，將直流電轉(zhuǎn)換成頻率固定（一般為高頻）的交流電，高頻變壓器再對輸出的交流電進行升/降壓，最后經(jīng)過由高頻二次整流后輸出[20]。整個過程中，把50Hz的市電變頻為高頻的信號，從而使得電壓器工作在高頻狀態(tài)下，可有效減小變壓器的體積和重量[21]。

2.3 軟開關(guān)型微波供電電源

開關(guān)電源的的引入，對微波應(yīng)用器電源的體積、效率等都有了很好的改善。然而，引用這種技術(shù)的同時，必不可少的帶來了另一種固有開關(guān)管的開關(guān)損耗[22]。在理想狀態(tài)下，開關(guān)電源中的開關(guān)管是沒有損耗的。但在實際情況下，開關(guān)管導通過程中，電流緩慢上升，電壓緩慢下降；而在開關(guān)管關(guān)斷過程中，電流緩慢下降，電壓緩慢上升。在這一升一降的過程中，開關(guān)管中既有電流通過，兩端又有電壓，這就在開關(guān)管上產(chǎn)生了功率損耗，電源功率越大，這種損耗就越大；開關(guān)頻率越高，累計損耗就越多。并且在開關(guān)管開關(guān)過程中，由于di/dt和dv/dt都很大，這將產(chǎn)生很強的電磁干擾，這些問題都嚴重影響了電源的穩(wěn)定性，阻礙了開關(guān)電源的廣泛使用，因此必須將開關(guān)電源的開關(guān)損耗降低[23]。后來有學者把串聯(lián)式和并聯(lián)式諧振軟開關(guān)技術(shù)引入微波電源以減小開關(guān)損耗，再一次的提升了電源的效率，欲想繼續(xù)提高電源效率、減小電源體積，必不可少的是不斷提高電源的工作頻率[24]。

由于微波應(yīng)用器電源屬于大功率領(lǐng)域，變壓器的變比很大，在高頻工作情況下，變壓器會產(chǎn)生較大的分布電容[25]。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(jié)構(gòu)為串并聯(lián)式LCC諧振變換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)軟開關(guān)的同時，有效解決了高壓變壓器漏感和分布電容對電源模塊穩(wěn)定性問題[26]。在PWM控制硬件基礎(chǔ)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)微波應(yīng)用器的輸出功率。設(shè)計的微波電源具有輸出功率可控的同時具有體積小、高效節(jié)能等優(yōu)點，能實現(xiàn)高壓過壓、過功率等多重保護[27]。

通過上面的分析，開關(guān)損耗主要集中在導通和關(guān)斷的瞬間，分別稱之為開通損耗和判斷損耗[28]。降低開通損耗的方式有：①在開關(guān)管開通前先將電壓降至零，即零電壓開通。②在開通過程中，保持其電流始終為零，或者限制其電流的上升率，即零電流開通。③同時做到零電壓開通的零電流開通。同理，對于關(guān)斷損耗也可以采用同樣的方式：①在關(guān)斷前使其電流降低到零，即零電流關(guān)斷。②在開關(guān)判斷過程中，始終保持電壓為零，或者限制電壓的上升率，即零電壓關(guān)斷。③同時做到零電壓關(guān)斷和零電流關(guān)斷，將這些降低開關(guān)損耗的方式統(tǒng)稱為軟開關(guān)技術(shù)[29]。利用諧振現(xiàn)象，使開關(guān)管上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開能或者零電流判斷的條件，以這種技術(shù)為主導的變換器稱為諧振變換器。按照其實現(xiàn)方式可以分為準諧振變換器、多諧振變換器和全諧振變換器三種類型。準諧振變換器是最早出現(xiàn)的一種軟開關(guān)電路，它的特點是諧振元件沒有全程參與諧振，而是在諧振中的某個過程參與[30]。多諧振變換器中諧振元件也是沒有全程參與諧振，只是有多個諧振回路，所以被稱之為多諧振變換器。全諧振變換器中，諧振元件則全程參與諧振，按照諧振元件的諧振方式，全諧振變換器又可分為串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器和串變聯(lián)諧振變換器[31]。

串聯(lián)諧振變換器中，諧振電感和諧振電容為串聯(lián)關(guān)系，并形成一個串聯(lián)諧振腔，諧振腔和負載之間也為串聯(lián)的關(guān)系，如圖9所示。串聯(lián)諧振變換器有輸入側(cè)環(huán)流小，變換效率高的特點，并且諧振電容起到隔直的作用，能有效的防止變壓器直流磁化[32]。但由于諧振腔和負載為串聯(lián)分壓的關(guān)系，所以當變壓器的匝數(shù)比為1時，串聯(lián)諧振變換器的增益總是小于1，輕載時電壓很難穩(wěn)定。

串并聯(lián)諧振變換器的諧振腔有三個元件構(gòu)成，包括1個電感，2個電容。串并聯(lián)諧振腔可以看成是串聯(lián)諧振腔和并聯(lián)諧振腔的組合，如圖10所示。串并聯(lián)諧振變換器結(jié)合了串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點，在諧振腔內(nèi)沒有了較大能量的循環(huán)流動，并且在輕載時也能輸出穩(wěn)定的電壓[33]。

通過對LCC諧振式微波應(yīng)用器電源進行硬件電路設(shè)計和Matlab/Simulink仿真。設(shè)計的硬件電路包括LCC諧振電源的電路、STM32控制器模塊、反饋電壓電流的采樣電路等。其中，LCC諧振電源電路的電路部分包括一次整流、濾波、全橋逆變網(wǎng)絡(luò)、LCC諧振變換器、高頻高壓變壓器、全橋整流以及二次濾波部分；STM32控制器模塊部分包括STM32復(fù)位電路、時鐘電路、DAC變換電路，以及IGBT開關(guān)管的4路驅(qū)動電路，以及模糊自整定PID算法設(shè)計，主要作用是產(chǎn)生4路移相PWM信號和輸出功率控制。最后，用Matlab/Simulink進行仿真以驗證電路參數(shù)設(shè)計的正確性。

為了克服模擬型微波電源存在的問題，采用研發(fā)的軟開關(guān)型微波電源，并在3kW微波高溫冶金設(shè)備上試用成功，新型微波開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3 整體結(jié)構(gòu)

新研制的高溫微波設(shè)備不僅采用了軟開關(guān)電源，而且在整體結(jié)構(gòu)上也進行了改進：為減少冷卻水的無端浪費，同時方便實驗室應(yīng)用，配備了自循環(huán)冷卻水器件，對磁控管等發(fā)熱器件進行封閉循環(huán)冷卻降溫；同時專門將微波磁控管激勵腔改進為90°轉(zhuǎn)彎波導實現(xiàn)激勵，提高了有效微波輻射，同時縮減空間體積，方便器件布設(shè)，確保整機外形僅為850×600×630mm，使整機結(jié)構(gòu)更趨于緊湊、合理。

新研發(fā)的微波高溫設(shè)備如圖12所示。

4 性能與應(yīng)用

針對各類基本實驗情況，設(shè)置的微波功率為2kW，并能在0-2000W范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控；由于整機控制方式采用PLC系統(tǒng)，設(shè)有自動、手動、恒溫、恒功率等控制模式，并以恒功率-時間控制方式調(diào)控微波功率，確保磁控管在額定工況下，穩(wěn)定工作、可靠運行；也能按照預(yù)先設(shè)置的升溫梯度或曲線，實現(xiàn)程序加熱或自動控制加熱，升溫速率依物料有所區(qū)別。進行試驗時，物料溫度可方便地以自動或人工操作方式，在室溫至1200℃內(nèi)實現(xiàn)精準控制，控溫精度達到±0.5%，甚至加熱量能以100W的熱量進行精準遞增，可靠控制高溫反應(yīng)的熔點、相變點、分解點等關(guān)注溫度。

考慮到實驗室高溫研究的實際需要，已將微波腔體容積增大到40L，并在腔體內(nèi)襯多晶莫來石絕熱保溫材料，適于加熱kg級試驗物料。再配備由溫控開關(guān)、門開關(guān)、水流開關(guān)、過流保護和超溫保護電路等組成保護系統(tǒng)，經(jīng)7寸屏實現(xiàn)觸摸控制，便于人機交互，用以進行各種高溫試驗；控制系統(tǒng)設(shè)有信息存儲功能，不僅便于保存、處理實驗數(shù)據(jù)和歷史趨勢圖，還可用移動存儲器方便拷貝存放。

5 結(jié)論

由于采用了啟動平穩(wěn)、微波功率連續(xù)可控的軟開關(guān)電源技術(shù)，并且改進了微波整機結(jié)構(gòu)，使得新研制的微波高溫設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、平穩(wěn)性與操控性得到大幅度提升。幾年以來，該裝置一直安全、連續(xù)、穩(wěn)定運行，經(jīng)受了上百人次的、不同高溫條、不同物料的煅燒、熱解、合成、氧化等眾多實驗檢驗，且從未出現(xiàn)任何故障，有力的論證了該方法的可行性和有效性，值得在微波冶金或其它高溫試驗研究領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。

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