燈絲電流聯(lián)動的5kW微波電源

印長豹，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，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5kW開關(guān)電源模塊和一臺100W燈絲電源模塊。5kW開關(guān)電源模塊作為陽極直流電源，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，燈絲電流可跟隨陽極電流變化而變化，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

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個陽極電源模塊、1個燈絲電源模塊和控制電路組成，每臺電源可提供電壓電流采樣信號、故障信號給控制電路。

1.1 陽極電源模塊

1.1.1 指標與組成

陽極電源設(shè)計指標為：輸入電壓：AC350～420V；輸出功率：5kW；輸出電壓：最高DC5.4kV；紋波∶ 0.5%；負載調(diào)整率∶0.3%；效率：≥89%；冷卻方式：強迫風(fēng)冷。

陽極電源采用并聯(lián)諧振拓撲[3]，其原理如圖2所示。

圖2 陽極電源技術(shù)原理圖

陽極電源模塊主要分為5個部分：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，其電流波形圖3所示。

圖3 電流波形

見圖3，t0時刻，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后與諧振電感L1串聯(lián)諧振，此時相當于變壓器3的次級短路，不向次級傳遞能量；t1時刻，諧振結(jié)束，電流開始從變壓器3初級流過，向次級傳遞能量；t2時刻，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初級流過，并且使二極管D2與D3導(dǎo)通，電流流回供電端，電流開始下降；t3時刻，控制部分5控制V2與V3開啟，此時由于D2與D3的導(dǎo)通，使V2和V3的電壓被鎖定，因此此時V2與V3無開啟損耗；t4時刻，電流續(xù)流結(jié)束，電流換向，由于電容極性與電流相反，此時諧振電感L1與諧振電容C1再次進行串聯(lián)諧振，直到t5時刻諧振結(jié)束，這段時間內(nèi)同樣不向次級傳遞能量，t5時刻后，工作方式同上半周期。

1.1.3 優(yōu)勢分析

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??；

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

③由于將諧振電容放在變壓器次級，與變壓器的分布電容折合到初級后與諧振電感諧振，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，初級諧振回路為橋式電路對電感充放電形式，波形為三角波，電源不會產(chǎn)生電流尖峰，導(dǎo)致開關(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)計指標為：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撲的方式，其原理如圖4所示。

燈絲電源模塊主要分為5個部分：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。

通過控制V1、V2的調(diào)頻交替導(dǎo)通，推動高頻開關(guān)變壓器，再通過次級整流，實現(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，需要對輸出進行隔離。如采用工頻變壓器隔離，則體積大，效率低。這里采用開關(guān)電源的開關(guān)變壓器實現(xiàn)隔離，通過增加初次級的絕緣強度，實現(xiàn)初次級線包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

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

1.2.3 優(yōu)勢分析

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

（2）采用開關(guān)電源方式可實現(xiàn)的對燈絲電源的緩啟動，減小對燈絲的沖擊，可提高磁控管壽命。

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

1.3 微波電源系統(tǒng)

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

（1）燈絲電源和陽極高壓電源的開關(guān)機邏輯連鎖控制：燈絲電源先開機，高壓電源才能開機；高壓電源關(guān)機，燈絲電源不隨之關(guān)機；燈絲電源關(guān)機，高壓電源同時隨之關(guān)機。

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

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

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

2 樣機及工程化應(yīng)用

5kW微波電源指標為：輸入電壓：AC350～420V；輸出陽極電壓：DC5.4kV；輸出陽極電流：920mA；陽極電壓紋波：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；整機效率：≥85%；冷卻方式：強迫風(fēng)冷；體積：19英寸5U標準插箱，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。實物如圖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，產(chǎn)品可靠穩(wěn)定，具體較高的推廣價值。

3 結(jié)論

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