磁控管電源系統研究與設計

才 琳，孫耀杰，高 騫，周廣林

（河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

傳統方式給食物加熱的原理是相同的，都是燃料燃燒或電熱絲發熱產生的熱量通過加熱灶具炊具、后再加熱食物，同時還不可避免地向外界散失較多的熱量。但微波爐對食物的加熱原理完全不同于其它的灶具，它不是靠熱傳遞，而是靠食物本身的有極分子的振蕩產生熱量[1]。

傳統的微波爐核心部件磁控管的電源主要由普通升壓變壓器提供，體積大、重量重，致使微波爐產品整體重量分布不均。而且傳統微波爐它只能提供單一功率的電源，也就是說傳統微波爐只能提供單一的加熱功率。隨著社會經濟的不斷發展，烹調速度、烹調科學火力、營養保存等已成為人們日益關心的熱門話題，而變頻微波爐由于它的功率可以調節而正好能滿足人們這方面的需求[2]。

1 微波爐磁控管的工作特征

磁控管是一種諧振型正交場振蕩器，是微波技術中的一種高功率微波源。其電源系統如圖1所示。

磁控管發射微波時陰極需得到3.3 V的燈絲電壓，陽極相對陰極具備4 000 V高壓而形成強電場。這樣陰極得到燈絲電壓向外發射電子。在電場作用下，電子從陰極飛向陽極。由于在磁控管中還存在磁場，其方向與電場方向垂直，因此電子在磁場和電場共同作用下延螺旋軌跡作輪擺式運動。同時，在諧振腔的陽極附近還存在高頻電場，在高頻電場作用下，電子繞陰極軸心旋轉，當旋轉速度與高頻電場同步時，電子的能量交給高頻電場，維持高頻振蕩。這些高頻能量以微波的形式輸出，用于各種工業用途[3]。現階段微波磁控管電源多采用普通的工頻電源，經變壓器升壓、整流和簡單濾波得到直流高壓，這種方法體積大、效率低、紋波大，電感和電容工作在高壓狀態，價格比較高[3]。

圖1 磁控管電源系統Fig.1 Diagram of magnetron power system

2 變頻電源的結構和原理

從結構上看，變頻電源可分為直接變頻和間接變頻兩大類。直接變頻又稱為交—交變頻，是一種將工頻交流電直接轉換為頻率可控的交流電，中間沒有直流環節的變頻形式。間接變頻又稱為交—直—交變頻，是將工頻交流電先經過整流器成直流電，再通過逆變器將直流電變換成頻率可變的交流電的變頻形式，因此這種變頻方式又被稱為有直流環節的變頻方式。交—交變頻一般使用的開關器件是晶閘管，利用電網電壓有自動過零并變負的特點，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關斷。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流器件，方法簡單，運行可靠。但是這種方法使用晶閘管數量較多，主回路復雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網頻率的1/2。交—直—交變頻是目前變頻電源的主要形式。其結構有3種形式，如圖2所示。

圖2 交－直－交變頻電源結構圖Fig.2 AC－DC－AC inverter power structure

1）可控整流器調壓、逆變器調頻方式。如圖2（a）所示：其調壓與調頻功能分別在兩個環節上實現，由控制電路協調配合，所以結構簡單、控制方便。由于裝置輸入環節采用可控整流，當低頻低壓運行時，移相觸發角很大，致使輸入功率因數低下，此外逆變器多用晶閘管型2階梯波，每周換流2次的逆變器，器件開關頻率低輸出諧波成分大，當然，可控器件如IGBT的出現使得PWM控制成為可能，可以大大的改善其工作性能，但成本較高。

2）不可控整流器整流、斬波器調壓、逆變器調頻方式。如圖2（b）所示：由于采用二極管整流，使輸入功率因數提高。由于輸出逆變環節功率器件采用晶閘管，仍有輸出諧波成分大的弊病。

3）不可整流器整流、脈寬調制型（PWM）逆變器同時實現調壓調頻方式。如圖2（c）所示。此時除裝置輸入功率因數高，又因采用高開關頻率的逆變器，輸出諧波很小，性能優良。本文所述的變頻電源采用這種方案。采用二極管不可控整流，以提高網側電壓功率因數，整流所得直流電壓用大電容穩壓，為逆變器提供直流電壓，再經過逆變器，輸出可變幅值可變頻率的信號。

開關電源的結構形式很多，按PWM方式來分有以下4種:

1）反激式變換器

反激式變換器效率高，線路簡單，能提供多路輸出，所以得到廣泛應用。但在輸出電壓中，有較大的波紋電壓。為了解決這一問題，只有加大輸出濾波電容和電感，但又增大了電源的體積。

2）正激式雙晶體管變換器

正激式雙晶體管變化器是在單管正激式的電路上再串聯一只三極管而組成的，這對于高壓大功率的開關電源來說更加安全可靠。缺點是電路較為復雜，所用元器件較多，如果假負載存在，效率將降低。

3）推挽式變換器

推挽式變換器相當于兩個正激式變換器工作的形式。這類變換器的電路較為復雜，尤其變壓器的初級和次級都需要有兩個繞組，但是它的利用率高，效率高，輸出波紋電壓小，適合用于百瓦級至千瓦級的開關電路當中。

4）全橋變換電路

全橋電路的優點是輸出功率大。所有隔離型開關電路中，采用相同電壓和電流容量的開關器件時，全橋型電路可以達到最大的功率，因此該電路常用于中大功率的電源中，輸出功率一般為數百瓦至數十千瓦。

3 變頻電源的結構

文中所設計的是一種微波磁控管的電源系統，在國家電力日益緊張的情況下，必須提高其電能的使用效率。而開關電源以其低損耗、高效率的顯著優點廣泛應用于計算機設備、電子儀器、通訊設備中。因此，采用開關電源作為微波的功率源，通過控制主電路中開關管的開通與關斷，實現了電流波形轉換，獲得所需要的磁控管電流、電壓波形，以滿足需要。

工頻電源經整流濾波轉換為直流電壓，轉換裝置根據直流電壓的轉換操作產生大功率高頻交流電壓，磁控管驅動器將來自轉換裝置的交流電壓轉換為直流電壓供給磁控管；變頻器控制單元對轉換裝置進行控制。變頻電源將50 Hz的電源頻率任意地轉換成20 000～45 000 Hz的高頻率電源，供給微波能量產生電路，使微波爐的輸出功率隨著電源頻率的變化而改變，從而改變了以往微波爐利用占空比原理調節微波輸出功率的方式，主要結構框圖如圖3所示。

圖3 變頻電源的基本結構Fig.3 Basic structure of variable frequency power supply

其具體包括以下部分：

1）直流電源 工頻電源經過二極管、電容構成的直流電源整流，濾波后轉換為直流電壓；

2）轉換裝置其根據來自直流電源的直流電壓進行轉換操作，產生大功率交流電壓；

3）磁控管驅動器其將來自轉換裝置大功率交流電壓轉換為適于磁控管的大功率直流電壓并將裝換后的電壓輸出給磁控管；

4）變頻器控制單元 包括頻率發生器和變頻器驅動器，通過變頻器控制單元對轉換裝置進行控制。

其中變頻逆變技術的關鍵是變頻器與磁控管的匹配，通過研究與實驗相結合得出有關匹配的調節規律，調節變頻器輸入脈沖信號的占空比，根據實際需要達到連續調節微波爐輸出功率的目的；同時在正常運行時不斷監控變頻器工作狀況，一旦發生異常，立刻采取措施。其基本原理是由變頻器的輸入是工頻電源（220 V/50 Hz），通過整流橋進行整流，獲得約300 V的直流電壓；在控制信號PWM的控制下，通過高頻變壓器升壓，獲得約2 000 V的交流高壓，再倍壓整流，就獲得提供給磁控管約4 000 V的直流高壓。

4 結 論

文中主要研究的是微波爐磁控管變頻電源，工頻電源（220 V/50 Hz）經濾波器濾波后，進入電路系統，實現驅動磁控管、供給燈絲電壓等功能。將變頻技術應用于微波爐磁控管電源系統中，通過改變頻率來控制不同的輸出功率，從而達到自由控制火力強弱的效果。

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