CN104811053B - 一种磁控管变频电源电路启动过程控制方法 - Google Patents
一种磁控管变频电源电路启动过程控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种磁控管变频电源电路的启动过程控制方法,包括:步骤s1:上电后,以初始最小脉宽值和初始开关频率值向驱动电路发送开关控制信号,同时,将取样信号输出至控制模块;步骤s2:逐渐增大开关控制信号的脉宽,直至磁控管灯丝功率达到预设的灯丝加热基本功率值;步骤s3:判断磁控管阳极电流是否增大及增大量:若增大,增加开关控制信号的脉宽、降低其频率;若未增大,维持开关控制信号的脉宽和频率不变;步骤s4:判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值:若未达到,返回执行步骤s3;若达到,启动过程完成。本发明控制方法既能在启动时将灯丝电流控制在磁控管规格之内,又能同时保证在产品标准规定时间内完成启动。
Description
技术领域
本发明涉及感应加热电源装置在磁控管启动过程的控制方法。
背景技术
感应加热电源装置,如微波炉电源,其负载是一电真空器件——磁控管,如同其他电真空器件一样,其通电后需要一启动过程,方能开始正常工作。这是因为磁控管正常工作的条件是灯丝能够按阳极电压的控制发射电子流,只有达到这种状态,磁控管才能正常发出微波功率。而灯丝必须通过一定的加热时间,达到足够高的温度后,才能按受控条件发射电子流,这就是所谓的启动过程。在此过程中,由于磁控管尚不能产生微波功率,电源装置的负载基本处于轻负荷状态,而在这种轻负载状态下电源变换电路的电压传输系数较高,容易导致阳极电压升高。同时,此过程还是一个由轻负载过渡到额定负载的大幅度负载变化过程,因此如果启动过程控制方式不合适,容易破坏开关电源正常工作条件使其无法正常工作,轻则无法正常启动,重则损坏功率器件;或导致磁控管损坏。好在不论何种拓扑形式的开关电源都具备的电压传输系数和输出功率大小的调整能力,只要采用合理的设计方案,均可以改善上述问题。如在现有微波炉产品的感应加热电源装置中就采用了以较小的输出功率启动和在启动阶段逐步加大电压传输系数,即所谓软启动方式,改善上述问题。
但是上述的软启动方式采用的是开关电源产品设计普遍采用的通则,没有针对磁控管自身的特点,因此效果有限。以至在启动时次级整流二级管反压仍达7000V以上,较运行状态的典型电压值4100V要高出约70%以上。且这高压与电网电压成比例,导致了高压整流管必须要承受近8KV的反向电压。尤其对于采用高频方式的感应加热电源,高压二极管必须承受高频高反压,非通常的工频高反压,这对高压二极管的规格就提出了很高的要求。同时如上所述由于在启动期间电源装置的主负载阳极电流处于空载状态,使灯丝电流成为电源的实际主负载,还导致灯丝电流容易高于规格书给定的规格,不利于灯丝寿命。再加上不同厂家设计制造磁控管的差异、磁控管个体间的差异、磁控管的工作环境条件差异和启动时工况差异等都会影响启动过程,因此上述软启动方式难以保证在以上诸多条件下,同时实现启动平稳、限制次级整流二极管反向电压、灯丝电流控制在稳定范围内等满意的控制效果。
发明内容
为解决现有磁控管启动过程中易造成次级整流二极管承受过高反向高压和启动一致性的技术问题,本发明提出一种磁控管变频电源电路启动过程控制方法,所述磁控管变频电源电路包括整流滤波电路、电源变换电路、取样模块、控制模块、频率/脉宽调制产生单元和驱动电路;所述整流滤波电路用于对交流电源的电流进行整流滤波,其输出端接所述电源变换电路;所述电源变换电路包括电连接的功率开关管和功率传输网络拓扑;所述功率传输网络拓扑用于向磁控管的阳极和阴极提供电压;所述功率开关管的控制端接所述驱动电路的输出端,所述驱动电路的输入端接所述频率/脉宽调制产生单元的输出端,所述取样模块用于监控参数的取样并将其输出信号送入所述控制模块,所述频率/脉宽调制产生单元受所述控制模块控制;
所述控制方法包括以下步骤:
步骤s1:上电后,所述频率/脉宽调制产生单元在所述控制模块的控制下以初始最小脉宽值和初始开关频率值向所述驱动电路发送开关控制信号,同时,所述取样模块进行取样并将取样信号输出至所述控制模块;
步骤s2:所述频率/脉宽调制产生单元受控逐渐增大其输出的开关控制信号的脉宽,直至所述控制模块根据所述取样模块的取样信号判断出磁控管灯丝功率达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤s3:根据所述取样模块的取样信号,所述控制模块判断磁控管阳极电流是否增大及增大量:
若增大,所述控制模块依照所述电源变换电路的传输特性,按磁控管阳极电流的增大量,控制所述频率/脉宽调制产生单元增加其输出的开关控制信号的脉宽和降低开关控制信号的频率,以增大电源输出给磁控管的功率;
若未增大,所述频率/脉宽调制产生单元维持其输出的开关控制信号的脉宽和频率不变;
步骤s4:根据所述取样模块的取样信号,所述控制模块判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值:
若未达到,返回执行步骤s3;
若达到,所述磁控管变频电源电路启动过程完成。
进一步的,所述取样模块为磁控管阳极电流取样电路,所述磁控管阳极电流取样电路取样磁控管的阳极电流,再将取样结果输出给控制模块;或者,所述取样模块为输入电流取样电路,所述输入电流取样电路取样所述整流滤波电路的输出电流,再将取样结果输出给控制模块。
更进一步的,
步骤s2中:
所述控制模块判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时所述取样模块取样到的电流值作为电流参考值;
步骤s3中:
每隔工频半周期,所述控制模块将从所述取样模块取样到的当前电流值与所述电流参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前电流值大于所述电流参考值,且差值大于预设的电流增大识别阈值,所述控制模块判断磁控管阳极电流增大,同时将该取样到的电流值替换原所述电流参考值作为新的所述电流参考值;
否则,所述控制模块判断磁控管阳极电流未增大,所述电流参考值维持不变。
再进一步的,
步骤s3中,所述电流增大识别阈值为所述控制模块中电流AD分辨率的2至6倍。
进一步的,还包括:
步骤s5:若所述控制模块判断所述取样模块取样到的电流值在若干个工频半周期内维持不变,则所述控制模块控制所述频率/脉宽调制产生单元增大其输出的开关控制信号的脉宽,必要时同时调低开关控制信号的频率;
步骤s6:若所述控制模块判断所述取样模块取样到的电流值依旧维持不变,则所述控制模块判断磁控管阳极或灯丝开路,控制所述磁控管变频电源电路停止工作。
进一步的,
所述取样模块还可以是输入电流取样电路和输入电压取样电路所述输入电流取样电路取样所述整流滤波电路的输出电流,再将取样结果输出给所述控制模块;所述输入电压取样电路取样所述磁控管变频电源的输入电压,并将取样结果输出至所述控制模块;所述控制模块根据所述输入电流取样电路和所述输入电压取样电路的取样结果计算所述磁控管变频电源电路的输入功率;
步骤s2中,所述控制模块根据所述磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管灯丝功率是否达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤s3中,所述控制模块根据所述磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极电流是否增大及增大量;
步骤s4中,所述控制模块根据所述磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值。
更进一步的,
步骤s2中:
所述控制模块判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时所述磁控管变频电源电路的输入功率作为输入功率参考值;
步骤s3中:
每隔工频半周期,所述控制模块将当前所述磁控管变频电源电路的输入功率与所述输入功率参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前输入功率大于所述输入功率参考值,且差值大于预设的功率增大识别阈值,所述控制模块判断磁控管阳极电流增大,同时将当前输入功率值替换原所述输入功率参考值作为新的所述输入功率参考值;
否则,所述控制模块判断磁控管阳极电流未增大,所述输入功率参考值维持不变。
步骤s3中,所述功率增大识别阈值为控制模块根据所述输入电流取样电路和所述输入电压取样电路的取样结果计算出的以二进制表示的输入功率值的最低有效位的2至6倍。
进一步的,所述的控制方法还包括:
步骤s5:若所述控制模块判断所述磁控管变频电源电路的输入功率在若干个工频半周期内维持不变,则所述控制模块控制所述频率/脉宽调制产生单元增大其输出的开关控制信号的脉宽,必要时同时调低开关控制信号的频率;
步骤s6:若所述控制模块判断所述磁控管变频电源电路的输入功率依旧维持不变,则所述控制模块判断磁控管阳极、灯丝开路,控制所述磁控管变频电源电路停止工作。
进一步的,
步骤s1中,对于单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路,初始最小脉宽值不大于所述电源变换电路谐振周期的1/10,或不大于所述频率/脉宽调制产生单元的脉宽调整分辨率的10倍;对于双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路,初始开关频率值为所述电源变换电路的上限开关频率fmax,fmax大于所述电源变换电路的谐振频率,初始最小脉宽值不大于1/fmax的1/10;
步骤s2中,在工频的波谷,以工频半周期为时间间隔,所述频率/脉宽调制产生单元增大其输出的开关控制信号的脉宽;所述灯丝加热基本功率值为磁控管额定灯丝功率;
步骤s4中,所述磁控管起振功率阈值为磁控管额定输出功率的1/4-1/3;
每次所述控制模块控制所述频率/脉宽调制产生单元增大其输出的开关控制信号的脉宽时,脉宽的增大量为所述频率/脉宽调制产生单元的脉宽调整分辨率的整数倍;
对于单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路,所述控制模块通过控制所述频率/脉宽调制产生单元输出的开关控制信号的脉宽的改变而改变开关控制信号的频率;对于双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路,所述控制模块分别控制所述频率/脉宽调制产生单元输出的开关控制信号的脉宽和频率,且频率随脉宽的增加而降低,降低速度取决于功率增量和所述电源变换电路的传输特性。
进一步的,所述磁控管变频电源电路还包括用于检测所述磁控管变频电源输入电压工频包络的工频包络检测电路,所述工频包络检测电路将取样结果输出至所述控制模块;
所述控制模块按工频包络调制所述开关控制信号的脉宽和频率。
进一步的,
步骤s3中,调整脉宽和频率的时间点为工频波谷。
本发明具有这些有益效果:本发明磁控管变频电源的控制方法除了具有一般软启动的优点,例如减小启动过程中对功率器件的过压、过流冲击和保证启动的成功率之外,同时还能有效地限制启动过程时磁控管阳极电压,以降低高压二极管的反向电压应力,保证器件在此项指标上有充足的富裕量;既能在启动时将灯丝电流控制在磁控管的规格之内,又能同时保证在产品标准规定时间内完成启动。并且,本发明的控制方法还具有识别磁控管阳极和灯丝开路故障功能,避免由此导致功率器件的损坏。重要的是这些改进结果具有很好的自适应能力,能够在不同工作环境、不同工况下以及对不同品牌磁控管都能得到一致的控制效果。
附图说明
图1为本发明第一实施例的启动过程控制方法所应用于的单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路(采取检测方式1监测磁控管阳极电流)的结构图;
图2为本发明第一实施例的启动过程控制方法所应用于的单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路(采取检测方式2监测磁控管阳极电流)的结构图;
图3为本发明第一实施例的启动过程控制方法所应用于的单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路(采取检测方式3监测磁控管阳极电流)的结构图;
图4为本发明第二实施例的启动过程控制方法所应用于的双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路(采取检测方式3检测磁控管阳极电流)的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明针对当前产品存在的缺点,找出磁控管启动过程中的特点,提出了一种新的磁控管变频电源电路启动过程控制方法,其首先以微能量无冲击开启,以灯丝加热功率为变频电源启动初始输出功率,然后跟随磁控管阳极电流增大过程,再逐步加大电源输出功率直至磁控管起振。
本发明的启动过程分为以下几个阶段:
阶段1:微能量、无冲击开启:变频电源以其最小输出功率启动,此功率小于磁控管额定灯丝功率;
阶段2:灯丝加热功率给定:接着变频电源逐步加大功率,直到满足灯丝加热基本功率值——灯丝功率不小于其额定功率;
阶段3:磁控管起振过程跟随:在灯丝功率不小于其额定功率后,开始监测磁控管阳极电流,判断其是否有增大趋势,如有,则按阳极电流增大值增加变频器输出功率;以此方法逐步调整变频器输出功率,使其跟随磁控管阳极电流增大而增大;直到磁控管阳极电流达到其起振功率的阈值。
此外,还增加磁控管回路异常判断,即
阶段4:如果磁控管阳极电流连续3~5个工频半周期都没有增大趋势,则适当加大变频器输出功率;若此方法重复2~3次,阳极电流仍没有增大趋势,则判定为磁控管回路异常,停止启动。
磁控管阳极电流监测可采用以下三种检测方式:
方式1:直接测量磁控管阳极电流;
方式2:通过测量变频电源的输入电流,间接监测磁控管阳极电流;
方式3:通过测量变频电源的输入功率,即测量输入电压与输入电流,间接监测磁控管阳极电流。
这是因为:
Pout=P灯丝+P阳极=k*Pin,其中,Pin为磁控管变频电源电路的输入功率,Pout为磁控管的输出功率,P灯丝为磁控管灯丝功率,P阳极为磁控管阳极功率,k为电源效率;
P阳极= V阳极*I阳极,其中,V阳极为磁控管阳极电压,I阳极为磁控管阳极电流;
而且,磁控管灯丝消耗的功率P灯丝基本固定不变,并且是可预知的,磁控管阳极功率P阳极与阳极电流I阳极的关系是磁控管特性所决定的,也是已知的。因此,通过输入功率Pin能够判定和控制磁控管阳极电流I阳极的大小和变化;同时由于启动过程持续时间不长,磁控管变频电源电路的输入电压Vin相对稳定,因此也可以用磁控管变频电源电路的输入电流Iin来判断磁控管阳极电流I阳极的变化。
如图1-4所示,本发明启动过程控制方法所应用于的磁控管变频电源电路包括整流滤波电路1、电源变换电路、取样模块、控制模块6、频率/脉宽调制产生单元7和驱动电路8。整流滤波电路1输入端接交流电源AC,用于对输入电流进行整流滤波,整流滤波电路1输出端接电源变换电路;电源变换电路包括相互电连接的功率开关管21和功率传输网络拓扑22,功率传输网络拓扑22的输出与磁控管M的阳极与阴极(阴极即灯丝)连接,用于向磁控管M的阳极和阴极提供电压。功率开关管21的控制端接驱动电路8的输出端,驱动电路8的输入端接频率/脉宽调制产生单元7的输出端,取样模块的取样信号送入控制模块6,控制模块6根据取样模块的取样信号以及预设的参数,依照电源变换电路传输特性控制频率/脉宽调制产生单元7。电源变换电路的功率开关管开关的快慢(即开关频率)和开关时间的长短(即脉宽)可以调节功率传输网络拓扑输出(即电源输出)功率的大小。
磁控管变频电源电路还包括工频包络检测电路,其用于取得市电工频电压的波形,并做必要的整形后,供控制模块按工频包络来调制频率/脉宽调制单元7输出的开关控制信号的频率和脉宽,以保证变频电源的输出稳定和功率因数符合设计要求。所谓“按工频包络调制”是指:下述的脉宽和频率均为一基准值,在这基准值的基础上随工频包络的改变而变化。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式,取样模块取样能够反映磁控管阳极电流的信号,其可为取样直接检测磁控管阳极电流的取样电路,也可为取样磁控管变频电源电路输入电流的取样电路,还可为取样磁控管变频电源电路输入电流和输入电压的取样电路,以获得磁控管变频电源电路的输入功率,通过输入功率监测磁控管阳极电流。
控制模块6为控制环路的核心部分,它根据阳极电流与参考阳极电流比较,确定出偏移量,或者,输入电流与参考输入电流比较,确定出偏移量,或者,根据输入电压、输入电流的取样值确定输入功率,将此输入功率与参考功率比较,确定出偏移量;再按电源变换电路的传输特性,根据阳极电流、输入电流或输入功率的偏移量,输出频率和脉宽控制信号,控制频率/脉宽调制产生单元7产生一定频率和脉宽的开关控制信号,输出给驱动电路8;驱动电路8据此输出驱动信号,直接控制电源变换电路中功率开关管21的开/关。
本发明第一实施例的磁控管变频电源电路启动过程控制方法,应用于如图1-3所示的单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路,在单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路中,由于开关管的开启点在其管压降的过零点,因此在电路的电参数确定情况下,开关管的工作频率受脉宽控制,因此调整脉宽,频率也同时做响应的变化。此时,该启动过程控制方法包括以下步骤:
步骤s1:磁控管变频电源电路上电后,频率/脉宽调制产生单元7在控制模块6的控制下以初始最小脉宽值(意味着初始最小脉宽值决定了一个初始开关频率值)向驱动电路8发送开关控制信号,同时,取样模块进行取样并将取样信号输出至控制模块6;
步骤s2:频率/脉宽调制产生单元7受控逐渐增大其输出的开关控制信号的脉宽,直至控制模块6根据取样模块的取样信号判断出磁控管灯丝功率达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤s3:根据取样模块的取样信号,控制模块6判断磁控管阳极电流是否增大及增大量:
若增大,说明磁控管变频电源电路已处于起振过程,控制模块6依照电源变换电路的传输特性,按磁控管阳极电流的增大量,控制频率/脉宽调制产生单元7增加其输出的开关控制信号的脉宽(意味着开关控制信号的频率降低),以增大电源输出给磁控管功率,其中,调整脉宽的时间点为工频波谷,脉宽调整的增量依赖于阳极电流增量和电源变换电路的传输特性;
若未增大,频率/脉宽调制产生单元7维持其输出的开关控制信号的脉宽和频率不变;
步骤s4:根据取样模块6的取样信号,控制模块6判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值:
若未达到,返回执行步骤s3;
若达到,磁控管变频电源电路启动过程完成。
步骤s1中,初始最小脉宽值不大于电源变换电路谐振周期的1/10,或不大于频率/脉宽调制产生单元7的脉宽调整分辨率的10倍,使变频电源以其最小输出功率启动,此功率小于磁控管额定灯丝功率;
步骤s2中,在工频的波谷,以工频半周期为时间间隔,频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽;灯丝加热基本功率值为磁控管额定灯丝功率,额定灯丝功率可从磁控管规格得到,一般取其上限值,并考虑电源输入功率的传输效率,一般取50~100W;
步骤s4中,磁控管起振功率阈值为磁控管额定输出功率的1/4-1/3,附加功率传输环节上的损耗,对微波功率为900W的磁控管而言,起振功率阈值一般取220W~300W;
在本发明第一实施例的磁控管变频电源电路启动过程控制方法中,每次控制模块6控制频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽时,脉宽的增大量为频率/脉宽调制产生单元7的脉宽调整分辨率的整数倍,具体值取决于磁控管阳极功率增量和电源变换电路的传输特性。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式中的方式1,如图1所示,取样模块为磁控管阳极电流取样电路,直接取样磁控管阳极电流,取样模块将取样到的磁控管阳极电流送入控制模块6,据此控制脉宽调制单元7。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式中的方式2,如图2所示,取样模块为输入电流取样电路3。输入电流取样电路3的输入端(即取样端)串接于整流滤波电路1的输出端,取样整流滤波电路1的输出电流后输出给控制模块6,控制模块6据此控制脉宽调制单元7。
之所以能够根据输入电流判断出磁控管阳极电流,是因为电源次级的负载电流(为磁控管灯丝电流和阳极电流之和)均由电源AC提供,因此电源次级的负载电流与变频电源电路输入电流的关系是确定的,而其中灯丝电流部分基本固定不变,并且是可预知的。因此,通过输入电流能够判定磁控管阳极电流。
在通过上述方式1和方式2监测磁控管阳极电流的情况下,
步骤s2中:
控制模块6判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时取样模块(方式1中是阳极电流取样电路,方式2中是输入电流取样电路)取样到的电流值作为电流参考值;
步骤s3中:
每隔工频半周期,控制模块6将从取样模块取样到的当前电流值与电流参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前电流值大于电流参考值,且差值大于预设的电流增大识别阈值,控制模块6判断磁控管阳极电流增大,同时将该取样到的电流值替换原电流参考值作为新的电流参考值;
否则,控制模块6判断磁控管阳极电流未增大,电流参考值维持不变;
其中,电流增大识别阈值为控制模块6中电流AD分辨率的2至6倍。
在通过上述方式1和方式2监测磁控管阳极电流的情况下,本发明第一实施例的控制方法还包括磁控管回路异常判断方法,包括:
步骤s5:若控制模块6判断取样模块取样到的电流值在若干个工频半周期内维持不变,则控制模块6控制频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽;
步骤s6:若控制模块6判断取样模块取样到的电流值依旧维持不变,则控制模块6判断磁控管阳极或灯丝开路,控制磁控管变频电源电路停止工作。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式中的方式3,如图3所示,取样模块包括输入电流取样电路3和输入电压取样电路4。输入电流取样电路3的输入端(即取样端)串接于整流滤波电路1的输出端,取样整流滤波电路1的输出电流后输出给控制模块6;输入电压取样电路4用于取样磁控管变频电源电路的输入电压,将取样结果输出给控制模块6;输入电压取样电路4和工频包络检测电路5各自的输入端都通过一整流电路9接磁控管变频电源电路的交流电源AC。
输入电流取样电路3完成对磁控管变频电源电路输入电流的取样(确切地讲,是取样整流滤波电路1的输出电流,但工程中一般直接将其看作是磁控管变频电源电路的“输入电流”),输入电压取样电路4完成对磁控管变频电源地电路的输入电压的取样,电流和电压的取样结果都交由控制模块6,从而确定输入电压和输入电流,计算出电源输入功率,并籍此判断出磁控管M的阳极功率和阳极电流。
步骤s2中,控制模块6根据磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管灯丝功率是否达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤s3中,控制模块6根据磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极电流是否增大及增大量;
步骤s4中,控制模块6根据磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值。
之所以能够根据电源输入功率判断出磁控管阳极电流,是因为磁控管M功率PM(为灯丝功率和阳极功率之和)由电源输入功率Pin提供,PM和Pin它们之间的关系是由电路设计所决定的。灯丝消耗的功率P灯丝基本固定不变,并且是可预知的,阳极功率P阳极与阳极电流I阳极的关系是磁控管特性所决定的,也是已知的。因此,通过输入功率能够判定磁控管阳极电流。
在通过上述方式3监测磁控管阳极电流的情况下,
步骤s2中:
控制模块6判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时磁控管变频电源电路的输入功率作为输入功率参考值;
步骤s3中:
每隔工频半周期,控制模块6将当前磁控管变频电源电路的输入功率与功率参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前输入功率大于功率参考值,且差值大于预设的功率增大识别阈值,控制模块6判断磁控管阳极电流增大,同时将当前输入功率值替换原功率参考值作为新的功率参考值;
否则,控制模块6判断磁控管阳极电流未增大,功率参考值维持不变;
其中,功率增大识别阈值为控制模块6根据输入电流取样电路3和输入电压取样电路4的取样结果计算出的输入功率值的最低有效位的2至6倍,功率值是以二进制表示的。
在通过上述方式3监测磁控管阳极电流的情况下,本发明第一实施例的控制方法还包括磁控管回路异常判断方法,包括:
步骤s5:若控制模块6判断磁控管变频电源电路的输入功率在若干个(譬如3-5个)工频半周期内维持不变,则控制模块6控制频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽;
步骤s6:若控制模块6判断磁控管变频电源电路的输入功率依旧维持不变,则控制模块6判断磁控管阳极、灯丝开路,控制磁控管变频电源电路停止工作。或者再重复若干次(譬如2-3)次,仍旧维持不变,则视为磁控管阳极、灯丝开路,控制磁控管变频电源电路停止工作。
本发明第二实施例的磁控管变频电源电路启动过程控制方法,应用于如图4所示的双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路,在双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路中,电源变换单元的传输特性与开关管的开关频率和占空比相关,因此,为使电源的输出能够跟随磁控管起振过程的阳极功率增大过程,需要在控制模块6控制下频率/脉宽调制产生单元7对脉宽和频率分别进行调节。该启动过程控制方法包括以下步骤:
步骤p1:上电后,频率/脉宽调制产生单元7在控制模块6的控制下以初始开关频率值和初始最小脉宽值向驱动电路8发送开关控制信号,同时,取样模块进行取样并将取样信号输出至控制模块6;
步骤p2:频率/脉宽调制产生单元7受控逐渐增大其输出的开关控制信号的脉宽,直至控制模块6根据取样模块的取样信号判断出磁控管灯丝功率达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤p3:根据取样模块的取样信号,控制模块6判断磁控管阳极电流是否增大及增大量:
若增大,控制模块6依照电源变换电路的传输特性,按磁控管阳极电流的增大量,控制频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽和调低开关控制信号的频率,以增大电源提供给磁控管的功率,其中,调整频率和脉宽时间点为工频波谷;
若未增大,频率/脉宽调制产生单元7维持其输出的开关控制信号的脉宽不变;
步骤p4:根据取样模块6的取样信号,控制模块6判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值:
若未达到,返回执行步骤p3;
若达到,磁控管变频电源电路启动过程完成。
步骤p1中,初始开关频率值为电源变换电路的上限开关频率fmax,fmax大于电源变换电路的谐振频率,初始最小脉宽值不大于1/fmax的1/10,以使变频电源以其最小输出功率启动,此功率小于磁控管额定灯丝功率;
步骤p2中,在工频的波谷,以工频半周期为时间间隔,频率/脉宽调制产生单元7改变其输出的开关控制信号的脉宽;灯丝加热基本功率值为磁控管额定灯丝功率;
步骤p4中,磁控管起振功率阈值为磁控管额定输出功率的1/4-1/3;
在本发明第二实施例的磁控管变频电源电路启动过程控制方法中,每次控制模块6控制频率/脉宽调制产生单元7改变其输出的开关控制信号的频率和脉宽时,脉宽的增大量为频率/脉宽调制产生单元7的脉宽调整分辨率的整数倍,具体值取决于磁控管阳极功率增量和电源变换电路的传输特性。频率随脉宽的增加而调低,调节速度则取决于磁控管阳极功率增量和电源变换电路的传输特性,一般为 –(1~15)Hz/ms。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式中的方式1,取样模块为磁控管阳极电流取样电路,直接取样磁控管阳极电流,取样模块将取样到的磁控管阳极电流送入控制模块6,据此控制频率/脉宽调制单元7。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式中的方式2,取样模块为输入电流取样电路3。输入电流取样电路3的输入端(即取样端)串接于整流滤波电路1的输出端,取样整流滤波电路1的输出电流后输出给控制模块6,控制模块6据此控制频率/脉宽调制单元7。
在通过上述方式1或方式2监测磁控管阳极电流的情况下,
步骤p2中:
控制模块6判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时取样模块(方式1中是阳极电流取样电路,方式2中是输入电流取样电路3)取样到的电流值作为电流参考值;
步骤p3中:
每隔工频半周期,控制模块6将从取样模块取样到的当前电流值与电流参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前电流值大于电流参考值,且差值大于预设的电流增大识别阈值,控制模块6判断磁控管阳极电流增大,同时将该取样到的电流值替换原电流参考值作为新电流参考值;
否则,控制模块6判断磁控管阳极电流未增大,电流参考值维持不变;
其中,电流增大识别阈值为取样模块分辨率的2至6倍。
在通过上述方式1或方式2监测磁控管阳极电流的情况下,本发明第二实施例的控制方法还包括磁控管回路异常判断方法,包括:
步骤p5:若控制模块6判断取样模块取样到的电流值在若干个工频半周期内维持不变,则控制模块6控制频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽,必要时同时调低开关控制信号的频率;
步骤p6:若控制模块6判断取样模块取样到的电流值依旧维持不变,则控制模块6判断磁控管阳极、灯丝开路,控制磁控管变频电源电路停止工作。
按照上述对磁控管阳极电流的三种检测方式中的方式3,如图4所示,取样模块包括输入电流取样电路3和输入电压取样电路4;输入电流取样电路3的输入端(即取样端)串接于整流滤波电路1的输出端,取样整流滤波电路1的输出电流后输出给控制模块6;输入电压取样电路4取样磁控管变频电源的输入电压,并将取样结果输出至控制模块6;控制模块6根据输入电流取样电路3和输入电压取样电路4的取样结果计算磁控管变频电源电路的输入功率。输入电压取样电路4和工频包络检测电路5各自的输入端都通过一整流电路9接磁控管变频电源电路的交流电源AC。
步骤p2中,控制模块6根据磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管灯丝功率是否达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤p3中,控制模块6根据磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极电流是否增大及增大量;
步骤p4中,控制模块6根据磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值。
在通过上述方式3监测磁控管阳极电流的情况下,
步骤p2中:
控制模块6判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时磁控管变频电源电路的输入功率作为输入功率参考值;
步骤p3中:
每隔工频半周期,控制模块6将当前磁控管变频电源电路的输入功率与功率参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前输入功率大于功率参考值,且差值大于预设的功率增大识别阈值,控制模块6判断磁控管阳极电流增大,同时将当前输入功率值替换原功率参考值作为新的功率参考值;
否则,控制模块6判断磁控管阳极电流未增大,功率参考值维持不变;
其中,功率增大识别阈值为控制模块6根据输入电流取样电路3和输入电压取样电路4的取样结果计算出以二进制表示的输入功率值的最低有效位的2至6倍。
在通过上述方式3监测磁控管阳极电流的情况下,本发明第二实施例的控制方法还包括磁控管回路异常判断方法,包括:
步骤p5:若控制模块6判断磁控管变频电源电路的输入功率在若干个工频半周期内维持不变,则控制模块6控制频率/脉宽调制产生单元7增大其输出的开关控制信号的脉宽,必要时同时调低开关控制信号的频率;
步骤s6:若控制模块6判断磁控管变频电源电路的输入功率依旧维持不变,则控制模块6判断磁控管阳极、灯丝开路,控制磁控管变频电源电路停止工作。
本发明的控制方法提出了在磁控管启动过程中电源输入功率采取的调整规则,而调整其功率大小是任何一种形式的开关电源的固有能力,因此本方法具有很好的通用性,可以适用于不同拓扑形式和不同控制环路的开关电源。开关电源设计工程师不难在其所采用的电路形式中采用本发明控制方法实现本发明的控制结果。例如对双管LLC电路而言,有对称和非对称两种,其输出的控制方法分别为:调整其开关频率而占空比为50%保持不变,同时调节开关频率和占空比。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思和内涵的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种磁控管变频电源电路启动过程控制方法,所述磁控管变频电源电路包括整流滤波电路(1)、电源变换电路、取样模块、控制模块(6)、频率/脉宽调制产生单元(7)和驱动电路(8);所述整流滤波电路(1)用于对交流电源(AC)的电流进行整流滤波,其输出端接所述电源变换电路;所述电源变换电路包括电连接的功率开关管(21)和功率传输网络拓扑(22);所述功率传输网络拓扑(22)用于向磁控管(M)的阳极和阴极提供电压;所述功率开关管(21)的控制端接所述驱动电路(8)的输出端,所述驱动电路(8)的输入端接所述频率/脉宽调制产生单元(7)的输出端,所述取样模块的信号送入所述控制模块(6),所述频率/脉宽调制产生单元(7)受所述控制模块(6)控制;
其特征在于:所述控制方法包括以下步骤:
步骤s1:上电后,所述频率/脉宽调制产生单元(7)在所述控制模块(6)的控制下以初始最小脉宽值和初始开关频率值向所述驱动电路(8)发送开关控制信号,同时,所述取样模块进行取样并将取样信号输出至所述控制模块(6);
步骤s2:所述频率/脉宽调制产生单元(7)受控逐渐增大其输出的开关控制信号的脉宽,直至所述控制模块(6)根据所述取样模块的取样信号判断出磁控管灯丝功率达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤s3:根据所述取样模块的取样信号,所述控制模块(6)判断磁控管阳极电流是否增大及增大量:
若增大,所述控制模块(6)依照所述电源变换电路的传输特性,按磁控管阳极电流的增大量,控制所述频率/脉宽调制产生单元(7)增加其输出的开关控制信号的脉宽和降低开关控制信号的频率,以增大电源输出给磁控管的功率;
若未增大,所述频率/脉宽调制产生单元(7)维持其输出的开关控制信号的脉宽和频率不变;
步骤s4:根据所述取样模块(6)的取样信号,所述控制模块(6)判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值:
若未达到,返回执行步骤s3;
若达到,所述磁控管变频电源电路启动过程完成;
所述磁控管变频电源电路还包括用于取样所述磁控管变频电源输入电压工频包络的工频包络检测电路(5),所述工频包络检测电路(5)将取样结果输出至所述控制模块(6);
所述控制模块(6)按工频包络调制所述开关控制信号的脉宽和频率。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述取样模块为磁控管阳极电流取样电路,所述磁控管阳极电流取样电路取样磁控管的阳极电流,再将取样结果输出给控制模块(6);或者,所述取样模块为输入电流取样电路(3),所述输入电流取样电路(3)取样所述整流滤波电路(1)的输出电流,再将取样结果输出给控制模块(6)。
3.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于:
步骤s2中:
所述控制模块(6)判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时所述取样模块取样到的电流值作为电流参考值;
步骤s3中:
每隔工频半周期,所述控制模块(6)将从所述取样模块取样到的当前电流值与所述电流参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前电流值大于所述电流参考值,且差值大于预设的电流增大识别阈值,所述控制模块(6)判断磁控管阳极电流增大,同时将该取样到的电流值替换原所述电流参考值作为新的所述电流参考值;
否则,所述控制模块(6)判断磁控管阳极电流未增大,所述电流参考值维持不变。
4.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于:
步骤s3中,所述电流增大识别阈值为所述控制模块中电流AD分辨率的2至6倍。
5.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于还包括:
步骤s5:若所述控制模块(6)判断所述取样模块取样到的电流值在若干个工频半周期内维持不变,则所述控制模块(6)控制所述频率/脉宽调制产生单元(7)增大其输出的开关控制信号的脉宽,必要时同时调低开关控制信号的频率;
步骤s6:若所述控制模块(6)判断所述取样模块取样到的电流值依旧维持不变,则所述控制模块(6)判断磁控管阳极、灯丝开路,控制所述磁控管变频电源电路停止工作。
6.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:
所述取样模块包括输入电流取样电路(3)和输入电压取样电路(4);所述输入电流取样电路(3)取样所述整流滤波电路(1)的输出电流,再将取样结果输出给所述控制模块(6);所述输入电压取样电路(4)取样所述磁控管变频电源的输入电压,并将取样结果输出至所述控制模块(6);所述控制模块(6)根据所述输入电流取样电路(3)和所述输入电压取样电路(4)的取样结果计算所述磁控管变频电源电路的输入功率;
步骤s2中,所述控制模块(6)根据所述磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管灯丝功率是否达到预设的灯丝加热基本功率值;
步骤s3中,所述控制模块(6)根据所述磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极电流是否增大及增大量;
步骤s4中,所述控制模块(6)根据所述磁控管变频电源电路的输入功率判断磁控管阳极功率是否达到磁控管起振功率阈值。
7.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于:
步骤s2中:
所述控制模块(6)判断出磁控管功率达到灯丝加热基本功率值时,将此时所述磁控管变频电源电路的输入功率作为输入功率参考值;
步骤s3中:
每隔工频半周期,所述控制模块(6)将当前所述磁控管变频电源电路的输入功率与所述输入功率参考值进行比较,判断两者大小及差值:
若判断当前输入功率大于所述输入功率参考值,且差值大于预设的功率增大识别阈值,所述控制模块(6)判断磁控管阳极电流增大,同时将当前输入功率值替换原所述输入功率参考值作为新的所述输入功率参考值;
否则,所述控制模块(6)判断磁控管阳极电流未增大,所述输入功率参考值维持不变。
8.权利要求7所述的控制方法,其特征在于:
步骤s3中,所述功率增大识别阈值为控制模块根据所述输入电流取样电路和所述输入电压取样电路的取样结果计算出的以二进制表示的输入功率值的最低有效位的2至6倍。
9.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于还包括:
步骤s5:若所述控制模块(6)判断所述磁控管变频电源电路的输入功率在若干个工频半周期内维持不变,则所述控制模块(6)控制所述频率/脉宽调制产生单元(7)增大其输出的开关控制信号的脉宽,必要时同时调低开关控制信号的频率;
步骤s6:若所述控制模块(6)判断所述磁控管变频电源电路的输入功率依旧维持不变,则所述控制模块(6)判断磁控管阳极或灯丝开路,控制所述磁控管变频电源电路停止工作。
10.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:
步骤s1中,对于单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路,初始最小脉宽值不大于所述电源变换电路谐振周期的1/10,或不大于所述频率/脉宽调制产生单元(7)的脉宽调整分辨率的10倍;对于双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路,初始开关频率值为所述电源变换电路的上限开关频率fmax,fmax大于所述电源变换电路的谐振频率,初始最小脉宽值不大于1/fmax的1/10;
步骤s2中,在工频的波谷,以工频半周期为时间间隔,所述频率/脉宽调制产生单元(7)增大其输出的开关控制信号的脉宽;所述灯丝加热基本功率值为磁控管额定灯丝功率;
步骤s4中,所述磁控管起振功率阈值为磁控管额定输出功率的1/4-1/3;
每次所述控制模块(6)控制所述频率/脉宽调制产生单元(7)增大其输出的开关控制信号的脉宽时,脉宽的增大量为所述频率/脉宽调制产生单元(7)的脉宽调整分辨率的整数倍;
对于单管ZVS拓扑结构的磁控管变频电源电路,所述控制模块(6)通过控制所述频率/脉宽调制产生单元(7)输出的开关控制信号的脉宽的改变而改变开关控制信号的频率;对于双管LLC拓扑结构的磁控管变频电源电路,所述控制模块(6)分别控制所述频率/脉宽调制产生单元(7)输出的开关控制信号的脉宽和频率,且频率随脉宽的增加而降低,降低速度取决于功率增量和所述电源变换电路的传输特性。
11.权利要求1所述的控制方法,其特征在于:
步骤s3中,调整脉宽和频率的时间点为工频波谷。
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