磁控管电源系统研究与设计

才 琳，孙耀杰，高 骞，周广林

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

传统方式给食物加热的原理是相同的，都是燃料燃烧或电热丝发热产生的热量通过加热灶具炊具、后再加热食物，同时还不可避免地向外界散失较多的热量。但微波炉对食物的加热原理完全不同于其它的灶具，它不是靠热传递，而是靠食物本身的有极分子的振荡产生热量[1]。

传统的微波炉核心部件磁控管的电源主要由普通升压变压器提供，体积大、重量重，致使微波炉产品整体重量分布不均。而且传统微波炉它只能提供单一功率的电源，也就是说传统微波炉只能提供单一的加热功率。随着社会经济的不断发展，烹调速度、烹调科学火力、营养保存等已成为人们日益关心的热门话题，而变频微波炉由于它的功率可以调节而正好能满足人们这方面的需求[2]。

1 微波炉磁控管的工作特征

磁控管是一种谐振型正交场振荡器，是微波技术中的一种高功率微波源。其电源系统如图1所示。

磁控管发射微波时阴极需得到3.3 V的灯丝电压，阳极相对阴极具备4 000 V高压而形成强电场。这样阴极得到灯丝电压向外发射电子。在电场作用下，电子从阴极飞向阳极。由于在磁控管中还存在磁场，其方向与电场方向垂直，因此电子在磁场和电场共同作用下延螺旋轨迹作轮摆式运动。同时，在谐振腔的阳极附近还存在高频电场，在高频电场作用下，电子绕阴极轴心旋转，当旋转速度与高频电场同步时，电子的能量交给高频电场，维持高频振荡。这些高频能量以微波的形式输出，用于各种工业用途[3]。现阶段微波磁控管电源多采用普通的工频电源，经变压器升压、整流和简单滤波得到直流高压，这种方法体积大、效率低、纹波大，电感和电容工作在高压状态，价格比较高[3]。

图1 磁控管电源系统Fig.1 Diagram of magnetron power system

2 变频电源的结构和原理

从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为交—交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。间接变频又称为交—直—交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。交—交变频一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整流器一样，不需要附加换流器件，方法简单，运行可靠。但是这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1/2。交—直—交变频是目前变频电源的主要形式。其结构有3种形式，如图2所示。

图2 交－直－交变频电源结构图Fig.2 AC－DC－AC inverter power structure

1）可控整流器调压、逆变器调频方式。如图2（a）所示：其调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路协调配合，所以结构简单、控制方便。由于装置输入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角很大，致使输入功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型2阶梯波，每周换流2次的逆变器，器件开关频率低输出谐波成分大，当然，可控器件如IGBT的出现使得PWM控制成为可能，可以大大的改善其工作性能，但成本较高。

2）不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。如图2（b）所示：由于采用二极管整流，使输入功率因数提高。由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，仍有输出谐波成分大的弊病。

3）不可整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。如图2（c）所示。此时除装置输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。本文所述的变频电源采用这种方案。采用二极管不可控整流，以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压，为逆变器提供直流电压，再经过逆变器，输出可变幅值可变频率的信号。

开关电源的结构形式很多，按PWM方式来分有以下4种:

1）反激式变换器

反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出，所以得到广泛应用。但在输出电压中，有较大的波纹电压。为了解决这一问题，只有加大输出滤波电容和电感，但又增大了电源的体积。

2）正激式双晶体管变换器

正激式双晶体管变化器是在单管正激式的电路上再串联一只三极管而组成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。缺点是电路较为复杂，所用元器件较多，如果假负载存在，效率将降低。

3）推挽式变换器

推挽式变换器相当于两个正激式变换器工作的形式。这类变换器的电路较为复杂，尤其变压器的初级和次级都需要有两个绕组，但是它的利用率高，效率高，输出波纹电压小，适合用于百瓦级至千瓦级的开关电路当中。

4）全桥变换电路

全桥电路的优点是输出功率大。所有隔离型开关电路中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，因此该电路常用于中大功率的电源中，输出功率一般为数百瓦至数十千瓦。

3 变频电源的结构

文中所设计的是一种微波磁控管的电源系统，在国家电力日益紧张的情况下，必须提高其电能的使用效率。而开关电源以其低损耗、高效率的显著优点广泛应用于计算机设备、电子仪器、通讯设备中。因此，采用开关电源作为微波的功率源，通过控制主电路中开关管的开通与关断，实现了电流波形转换，获得所需要的磁控管电流、电压波形，以满足需要。

工频电源经整流滤波转换为直流电压，转换装置根据直流电压的转换操作产生大功率高频交流电压，磁控管驱动器将来自转换装置的交流电压转换为直流电压供给磁控管；变频器控制单元对转换装置进行控制。变频电源将50 Hz的电源频率任意地转换成20 000～45 000 Hz的高频率电源，供给微波能量产生电路，使微波炉的输出功率随着电源频率的变化而改变，从而改变了以往微波炉利用占空比原理调节微波输出功率的方式，主要结构框图如图3所示。

图3 变频电源的基本结构Fig.3 Basic structure of variable frequency power supply

其具体包括以下部分：

1）直流电源 工频电源经过二极管、电容构成的直流电源整流，滤波后转换为直流电压；

2）转换装置其根据来自直流电源的直流电压进行转换操作，产生大功率交流电压；

3）磁控管驱动器其将来自转换装置大功率交流电压转换为适于磁控管的大功率直流电压并将装换后的电压输出给磁控管；

4）变频器控制单元 包括频率发生器和变频器驱动器，通过变频器控制单元对转换装置进行控制。

其中变频逆变技术的关键是变频器与磁控管的匹配，通过研究与实验相结合得出有关匹配的调节规律，调节变频器输入脉冲信号的占空比，根据实际需要达到连续调节微波炉输出功率的目的；同时在正常运行时不断监控变频器工作状况，一旦发生异常，立刻采取措施。其基本原理是由变频器的输入是工频电源（220 V/50 Hz），通过整流桥进行整流，获得约300 V的直流电压；在控制信号PWM的控制下，通过高频变压器升压，获得约2 000 V的交流高压，再倍压整流，就获得提供给磁控管约4 000 V的直流高压。

4 结 论

文中主要研究的是微波炉磁控管变频电源，工频电源（220 V/50 Hz）经滤波器滤波后，进入电路系统，实现驱动磁控管、供给灯丝电压等功能。将变频技术应用于微波炉磁控管电源系统中，通过改变频率来控制不同的输出功率，从而达到自由控制火力强弱的效果。

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