CN101720563A - 射频加热装置的电源 - Google Patents

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Abstract

一种射频发生器电源，包括：通过直流母线串联连接的第一开关式电源(SMPS)和第二SMPS。在第一SMPS的输出端和第二SMPS的输入端之间布置电容器，该电容器用作第一SMPS的平滑电容器并向第二SMPS提供脉冲能量。第二SMPS的输出端连接到升压变压器的输入端，而升压变压器的输出端连接到整流器的输入端，其中，整流器可连接到射频发生器。第一SMPS的输入端可连接到主电源，以在为射频发生器设置工作电压和峰值电流水平的同时保持高的功率因数以及低谐波含量。第二SMPS被布置成，向升压变压器供电，并被布置成以可变占空比和/或可变频率工作，从而为射频发生器提供平均功率控制。在检测到通过射频发生器的功率急变时，第二SMPS被快速切断。

Description

射频加热装置的电源
技术领域
本发明涉及一种射频加热装置的电源。
背景技术
此处使用术语“射频能量”表示从低频(LF)到微波在内的任何频谱部分的电磁能量。
将射频能量作用于材料，以产生热量或者产生一些其它期望的效果，这在家用和工业处理中是众所周知并且广为使用的技术。
图1示出了众所周知的家用微波炉100的典型结构，其包括微波发生器。在微波炉100中，通过变压器T1对磁控管11供电，变压器T1的次级线圈121的第一端经由电容器C1连接到磁控管11的阴极111，而变压器T1的次级线圈121的第二端连接到磁控管11的阳极112。磁控管阳极112通常是接地的。二极管D1连接在磁控管11的阴极和阳极之间。单相干线电压(mainsvoltage)通过开关S1施加到变压器T1的初级线圈123。在单相干线电源(mains supply)的正半周期上，即在图1的第一电压曲线101的时间T1和T2之间，电容器C1被充电至+Vpk，+Vpk基本上等于从变压器T1的次级线圈输出的最大正电压。在单相干线电源的负半周期上，即在图1的曲线102中的时间T0和T1之间、以及时间T2和T3之间，C1上的电容器电压和来自次级线圈的负电压具有最大值-Vpk，其被加上以提供最大值为-Vk的可变电压，并且这导致可变电流流入磁控管，该可变电流如曲线103所示，最大值为Ipk，平均值为Imean。此可变电流是被削波的半正弦波，通常其峰电流Ipk与平均电流Imean的比值约为3。
变压器T1通常并入了非线性的漏抗(leakage reactance)，以提供电流整形的能力以及对干线电压变化进行一定程度的调整的能力。在变压器T1中还常常配备第二个次级线圈122，以为磁控管加热器113供电，如图1所示。
通常通过利用连接到开关S1的控制系统13闭合开关S1来实现射频发生器的电源控制，典型地，这通过以重复的周期进行接通电源几秒钟之后再切断电源几秒钟的操作来实现。
这种基本形式的系统是众所周知的，并且对于适中的电源其表现也令人满意，通常其平均电输入可达到1.5kW，并且磁控管传递峰值为3kW、平均值为1kW的射频功率脉冲。
对于非常高的功率，例如，50kW的平均功率，常规情况下使用三相干线电源作为主电源(prime power supply)。图2示出了这样的众所周知的高功率系统200的例子。三相干线电源经由断电器20被输入到干线变压器(mains transformer)22，并被输出到一个6脉冲整流器23。这种结构产生了波动很小的相对平滑的电压。然而，由于磁控管21具有偏压二极管类型的负载，所以因波动电压导致的电压的小变化会使电流产生大得多的变化。为了在磁控管21中产生稳定电流，使用大扼流器24作为6脉冲整流器23的第一输出端231和磁控管21的阴极K之间的滤波器。
磁控管21的起始电压是施加于该磁控管上的磁场强度的函数。通过改变磁场，可以升高或降低磁控管的工作电压，从而，无需任何干线电源控制特征，即可改变磁控管的功率要求。利用可控的电源，诸如SCR控制器29，来改变磁场，从而改变供应给螺线管28的电流，其中，安放此螺线管是为了向磁控管21施加磁场的。利用高功率磁控管，通常可以改变施加到磁控管21的加热器H上的电压，从而优化阴极K的温度，这通过工作在加热器变压器(heater transformer)26的初级线圈上的加热器SCR控制器27、以及连接在磁控管21的阴极K和加热器H之间的加热器变压器次级线圈来实现。
利用前述的已知标准系统时，可以作出一些变形。例如，在低功率和高功率应用中，都可以使用单开关式电源(switched mode power supply，SMPS)。
采用已知结构的缺陷在于，这样的射频发生器在内部发出火花，经由火花进入射频发生器装置的能量相当大，并且很可能给管道11、21造成损害。两个电路都不能很好地适应射频发生器电源的快速中断或恢复。这是由于接触器S1、20在中断电源时的缓慢响应，以及在滤波器24和与整流处理相关联的平滑元件中存储的能量。
单开关式电源实现了波动的减少，并且滤波器中存储的能量也减少了很多，但是，能量仍然很多，并且关闭系统以及重启系统仍需要耗费几秒钟，从而导致使用射频发生器的过程中出现令人不满的中断。
多数射频发生器，尤其是磁控管，在很小的电流和电压工作范围内才能实现从电气能量到射频输出能量的最优转换。因此，期望能有这样一种功率控制方法，这种功率控制方法能将射频发生器维持在最佳效率的状态，并且仍然允许实现范围宽广的平均功率控制。
期望来自电力公共事业(electrical utility)的功率需求是质优的。最佳的功率因数是1。这意味着汲取功率的负载具有线性电阻器的特性。对于整流器，宽泛的说，对于任何将交流转换为直流的器件，干线的谐波失真是很容易理解的副效应，并且也是电力公共事业的逐渐增长的问题，因为电子器件将获取更大的功率百分比，从而导致电源的谐波含量较高。作为例子，常用的6脉冲3相整流器的功率因数约为0.95，但会在干线电源中产生约25％的谐波失真。适当设计的SMPS的功率因数为0.99，并且附加的干线谐波失真仅为1％或2％。因此，射频发生器的电源需要非常好的功率因数(＞0.98)以及非常低的谐波失真，优选地，谐波失真小于4％。图1所示的系统100就可以接受，但是，仍可以进行改善。图2的高功率系统200则与期望相差较远，并且在很多情况下，不能满足规定的要求。
图1的系统100提供了能量脉冲，但这只是其操作方法的副作用。一种能够提供平均功率为(Pave)但具有指定峰值功率(Ppk)的射频能量输入的系统，能够为给定处理带来额外的好处。
发明内容
本发明的目的在于至少改善已有技术中的前述缺陷。
根据本发明，提供了一种射频发生器的电源，此电源包括：第一开关式电源(switched mode power supply，SMPS)装置，以及通过直流母线装置与第一SMPS装置串联的第二SMPS装置，在第一SMPS装置的输出端之间以及第二SMPS装置的输入端之间连接有电容器装置，第二SMPS装置的输出端连接到升压变压器的输入端，升压变压器的输出端连接到整流器装置的输入端，整流器装置的输出端能够连接到射频发生器装置，其中，第一SMPS的输入端能够连接到主电源输入端，以设置射频发生器的工作电压和峰值电流水平，并且，第二SMPS被布置成向升压变压器装置供电，并且第二SMPS以可变的占空比和/或可变的频率工作，以向射频发生器提供平均功率控制。
有利的是，整流器装置的输出端连接到射频发生器装置，在该整流器装置与射频发生器装置之间没有滤波装置或平滑装置，因此电源存储最少的能量，使得，第二SMPS能够被快速切断。
优选地，第二SMPS能够在两微秒内被切断。
方便的是，电源进一步包括控制装置，该控制装置被布置成对通过射频发生器的电流进行监控，并被布置成控制第一和第二SMPS装置。
有利的是，电源具有至少为0.98的功率因数。
有利的是，电源被布置成对主电源输入造成的谐波失真少于4％。
方便的是，电源被布置成向磁控管射频发生器供电，并且包括用于为磁控管的加热器供电的加热器供电装置，其中控制装置被布置成对加热器供电装置进行控制。
有利的是，控制装置被布置成，在控制装置检测到通过射频发生器的功率发生急变时切断第二SMPS装置，并且随后接通该第二SMPS装置。
方便的是，为控制装置配备幅度控制装置和占空比控制装置。
方便的是，电源进一步包括用于向射频发生器施加磁场的磁场发生装置，其中，控制装置被布置成对磁场发生装置进行控制。
有利的是，电源进一步包括用于将主电源输入端切换到第一SMPS的接触器装置，其中，该接触器装置被布置成由控制装置对其进行控制。
方便的是，电源被布置成用于三相主电源输入。
有利的是，电源被布置成使其工作时的峰值功率与平均功率的比值在1到100范围内。
附图说明
现在将通过举例的方式描述本发明，参考如下附图：
图1是已知的低功率磁控管系统的电路图；
图2是已知的高功率磁控管系统的电路图；
图3(a1)到图3(c2)是一系列曲线图，有助于理解本发明的应用，其示出了利用脉冲占空比不同的射频辐射来照射材料时，对材料温度变化的影响；
图4a是根据本发明的用于高功率射频发生器的电源的电路图；
图4b是根据本发明的用于低功率射频发生器的电源的电路图；
图5示出对于不同占空比图4的电路的第二SMPS的两个输出端之间产生的波形轨迹；
图6示出第二SMPS的三相输出端的不同组合之间产生的波形轨迹；
图7示出第二SMPS的三相输出端的不同组合之间产生的波形轨迹，并示出利用根据本发明的电源从磁控管的电弧放电中恢复的过程；
图8示出第二SMPS的单相输出的两个端口之间产生的波形轨迹，并示出利用根据本发明的电源从磁控管的电弧放电中恢复的过程；
在上述附图中，类似的参考标记表示类似的部件。
具体实施方式
参考图3(a1)，如果将功率Pave输入到材料中，最初材料温度将升高，如图3(a2)所示，直到达到平衡，并且材料的峰值温度Tmax与稳定状态的均值温度Tmean相同。
如果如图3(b1)所示，以幅度为Ppk的脉冲形式输入功率，其中，占空比很高，与图1所示的系统100中一样，则会出现一些小的温度波动，但是一旦达到平衡，最高温度Tmax将几乎与平均温度Tmean相同，如图3(b2)所示。
参考图3(c1)，如果电源系统提供了非常低的占空比，使得峰值功率Ppk比平均功率Pave高得多，例如，如图3(c1)所示，Ppk是Pave的100倍，则材料中的温度可能经历跟踪电源的占空比的显著的热循环。这种情况下，如图3(c2)所示，最高温度Tmax比平均温度Tmean高得多，并且温度在热脉冲(dt)期间的快速变化将会很好地为正被照射的材料带来更令人期望的影响。
在一些情形中，以高峰值功率、低占空比脉冲的形式传递所需要的平均功率具有显著的处理优点。通过使用射频电源作为电源，射频电源具有特定的与材料结合的功率特性，可以产生非常有用的效果。这些包括但不限于：
·使弱化材料的热冲击局部化，使得诸如切割和研磨等后续处理更加容易实现；
·引发化学反应；以及
·破坏细菌，而不会导致对材料主体的损害。
参考图4a，在根据本发明的磁控管电源中，第一开关式电源(SMPS1)42经由接触器41与干线主电源(mains prime power)相接。第一开关式电源42的直流输出被输入到第二开关式电源(SMPS2)44。C1电容器43连接在SMPS142的直流输出端和SMPS244的直流输入端之间。
第二开关式电源(SMPS2)44具有三个输出P1、P2和P3，并且第二开关式电源44作为直流到3相交流的转换器使用，它的一个输出端连到T1变压器45，此变压器的一个输出端连到BR1整流器46，使得，T1变压器45和BR1整流器46的电压变换与磁控管48在最优工作电流时所需要的电压相匹配。SMPS1第一开关式电源42的直流输出电压受主控制板413的控制，以便在磁控管48处给出所需要的电压。
通过磁控管48的电流受到整流器46的正电压输出端和磁控管48的阳极之间的R1电阻器410的监控。通过设置流经螺旋管49的电流以设置作用于磁控管48的磁场，来将磁控管48的工作电压设置为预定值，其中，流经螺旋管49的电流由螺线管电源411控制。在通常的工作范围内，磁控管电压实质上与螺旋管电流直接成比例。
主控制板413具有经由控制线c4来自R1电阻器410的信号输入、控制线c1上的用于SMPS1 42的控制信号的输出，以及控制线c5上的用于螺旋管电源411的输出。所有这些功能都可由具有连到主控制板413的输入端的幅度控制模块412来控制，这允许通过单个控制设置所需要的磁控管电压和电流，使得磁控管峰值电压和电流以及射频功率的峰值能由系统设置。
SMPS244被设计成，产生与变压器兼容的3相名义矩形脉冲驱动波形，该波形可用于通过脉冲宽度调制技术改变平均磁控管电流。图5和图6示出所产生的波形类型。
图5示出图4a的实施例中的SMPS244的P1和P2输出端之间的波形。对于100％的脉冲，在每半个周期，所产生的波形51提供以半个周期中的60°和120°为中心的两个脉冲，为正半周期提供以时刻T1和T2为中心的两个脉冲511、512，并为负半周期提供以时刻T4和T5为中心的两个脉冲513、514。图5还分别示出了占空比被降低为66％和33％时的波形52和53的例子。为了实现非常低的占空比，可以切掉T2和T5处的各个半周期上的一个脉冲。增大波形的周期时间(T0到T0+1)将进一步减小占空比。脉冲宽度应保持为与最大占空比水平时相同，以避免T1变压器45的饱和效应。
通过示出三相输出，图6示出图4a实施例的SMPS2 44的三个3相输出P1、P2和P3的组合之间的基本相位关系。
再次参考图4a，阳极电流由R1电阻器410监控，经由控制线c4向主控制板413输入信号，经由控制线c2向SMPS2 44输出输出信号。改变SMPS2的占空比也就改变了脉冲工作输出(pulse duty output)，从而改变了来自SMPS2的平均功率。对主控制板413的占空比控制414输入允许设置出所需要的占空比。因为与至少一些其它的微波发生器电源不同，磁控管要求随着平均功率的增加，降低加热器电压。主控制板413还通过在控制线c3上输出控制信号以控制加热器电源414，来进行此功能，其中加热器电源414具有连到加热器T2变压器47的输出端，该加热器T2变压器47电耦合到磁控管48的加热器。
在负载出现故障的情形下，SMPS2 44的输出被布置成由主控制板413将其立即关闭，该负载故障是由R1电阻器410监控到电流出现急剧增长而检测到的。图7示出此效果，其中，在Tf处发生故障，如时刻Tf处的实线所示，其中出现故障的脉冲立即被中止。此过程可在短至1到2微秒的时间段内发生。脉冲的快速中止和没有滤波元件被用在BR1 46的整流输出上的事实确保了：由于故障通过磁控管48发送的能量非常低，不会对磁控管造成损害的影响。如果需要，可根据什么将是下一个脉冲Tr1，来尝试恢复正常的工作。或者，可经过小的延时Tr2以在工作周期的相同位置处重启，以及/或者可尝试以较低的峰值或平均功率进行重启。在工作周期的相同位置处重启能确保相位关系得到保持，以避免变压器饱和。这些选择都允许比起任何已确立的方法，功率能更快地重新恢复。它们还允许以使处理工作没有被明显中断的方式将故障恢复与最终处理联系起来。
优选地，以典型地用于为整流器供电的高频变压器的方式，设计T1变压器45。并且，除了关于较低的磁芯损耗和铜损的通常变压器设计需求以外，更低的漏抗也是期望的特征。
对于高功率系统，应用的典型数值组合是对于65到70kW峰值射频输出的情况，磁控管工作的峰值是20kV、4A，C1电压是800V。对于35kW的平均输出功率，占空比是50％。SMPS1和SMPS2的工作频率是4000pps。
图4b示出本发明的低功率实施例，其再次包括两个串联的开关式电源(SMPS1和SMPS2)。此实施例仅需要单相干线输入连到SMPS1 42，SMPS244输出单相矩形脉冲波形。较小的磁控管经常在磁控管48上使用永磁，这种情况下，不再需要L1螺线管49及其附带电源411。其他所有方面上，此处的工作原理和参考图4a描述的高功率系统中的情况相同。
来自图4b的低功率实施例的SMPS2终端Pa到Pb的伴随波形远比图4a的3相形式情况简单，其示于图8中，并且，也在同一图中示出了负载发生故障情况下的表现。
对于低功率系统，应用的典型数值组合是，对于约200W峰值射频输出的情况，磁控管工作的峰值是2kV、0.15A，C1电压是400V。对于50W的平均输出功率，占空比是25％。优选地，SMPS1的工作频率是100,000pps而SMPS2的工作频率是50,000pps。
因此，此应用主要涉及功率非常高的设备，这种设备需要仅用于工业环境的三相干线电源。但，也已经讨论了该技术应用于较低功率的情况。射频发生器可以是磁控管或高频真空管，诸如三极管或四极管，但并不限于这些装置。本发明使用脉冲调制技术产生射频能量，可具有任意所需数量的峰值均值比率(通常不超过50∶1)。此结构的关键特点是系统中存储非常低的能量，使得任何电压击穿只会导致非常小的损害，并且如果需要，处理可以快速恢复。
此概念使用两个单独的开关式电源(SMPS)，这两个电源由直流母线紧密串行链接。第一SMPS连接到主电源输入，在设置磁控管的工作电压和峰值电流水平的同时，该第一SMPS保持高功率因数，以及低谐波含量。第二SMPS为升压变压器供电，其为单相或3相，并且以可变占空比和/或可变频率工作，以提供平均功率控制。经整流的输出无需滤波，而被直接送入负载管(在详细描述中，考虑的是磁控管)。如果这样的电子管产生电弧，则第二SMPS可以非常快地关闭，并且在下一个循环重启，从而最小化处理关闭时间。控制两个SMPS单元的方法，以及无需任何滤波器或平滑元件即可进行整流的方法都是新的。
在连接到干线公共设备(mains utility)的现代电子系统中，一个问题是优化大量的各种各样的参数。对于第二SMPS桥，其必须有大量各种各样的用于负载装置的设置，使该第二SMPS桥的输入保持稳定有助于优化其输出性能。类似地，优化第一SMPS以克服干线功率不均衡，保持该第一SMPS的输出稳定，也是有帮助的。利用第一SMPS的输出作为第二SMPS的输入，对于每一个SMPS单元，第一SMPS和第二SMPS之间的中间点是稳定的参考点和工作点。SMPS1和SMPS2之间的连接具有电容器，此电容器为第二SMPS提供所需要的脉冲能量，并用作第一SMPS1的平滑电容器。这种结构能克服在几乎所有国家的电力公共事业规章中都禁止的从干线获取电流脉冲的事实。

Claims (13)

1.一种射频发生器的电源，该电源包括：第一开关式电源(SMPS)装置，以及通过直流母线装置与所述第一SMPS装置串联的第二SMPS装置，在所述第一SMPS装置的输出端之间以及所述第二SMPS装置的输入端之间连接有电容器装置，所述第二SMPS装置的输出端连接到升压变压器装置的输入端，所述升压变压器装置的输出端连接到整流器装置的输入端，所述整流器装置的输出端能够连接到所述射频发生器装置，其中，所述第一SMPS装置的输入端能够连接到主电源输入端，以设置所述射频发生器的工作电压和峰值电流水平，并且，所述第二SMPS装置被布置成向所述升压变压器装置供电，并以可变的占空比和/或可变的频率工作，以向所述射频发生器提供平均功率控制。
2.如权利要求1所述的电源，其中，所述整流器装置的输出端连接到所述射频发生器装置，并且在所述整流器装置与所述射频发生器装置之间没有滤波装置或平滑装置，因此电源仅存储最少的能量，使得所述第二SMPS装置可以被快速切断。
3.如权利要求2所述的电源，其中，所述第二SMPS装置能够在两微秒内被切断。
4.如权利要求1或2所述的电源，进一步包括控制装置，该控制装置被布置成对通过所述射频发生器的电流进行监控，并被布置成控制所述第一和第二SMPS装置。
5.如前述权利要求中任一项所述的电源，具有至少为0.98的功率因数。
6.如前述权利要求中任一项所述的电源，被布置成对所述主电源输入造成的谐波失真小于4％。
7.如权利要求2至5中任一项所述的电源，被布置成向磁控管射频发生器供电，并且包括用于为所述磁控管的加热器供电的加热器供电装置，其中所述控制装置被布置成对所述加热器供电装置进行控制。
8.如权利要求2至6中任一项所述的电源，其中所述控制装置被布置成，在所述控制装置检测到通过所述RF发生器的功率发生急变时切断所述第二SMPS装置，并且随后接通所述第二SMPS装置。
9.如权利要求2至7中任一项所述的电源，其中，为所述控制装置配备幅度控制装置和占空比控制装置。
10.如权利要求2至8中任一项所述的电源，进一步包括用于向所述射频发生器施加磁场的磁场发生装置，其中，所述控制装置被布置成对所述磁场发生装置进行控制。
11.如权利要求2至9中任一项所述的电源，进一步包括用于将所述主电源输入端切换到所述第一SMPS装置的接触器装置，其中，所述接触器装置被布置成由所述控制装置对该接触器装置进行控制。
12.如前述权利要求中任一项所述的电源，被布置成用于三相主电源输入。
13.如前述权利要求中任一项所述的电源，被布置成使其工作时的峰值功率与平均功率的比值在1到100的范围内。
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