CN105790630A - 一种实现磁控管输出脉冲微波的电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现磁控管输出脉冲微波的电源及其控制方法。一种实现2.45GHz磁控管输出脉冲微波的电源包括：灯丝电源、阳极负高压电源和控制器。在不改变阳极散热冷却的情况下，实现2.45GHz磁控管阳极供电高压电源在一定重复脉冲频率、占空比可调制输出，以实现微波产生时间精确可控及输出功率的最大化，并通过控制实现2.45GHz磁控管输出功率多管的合成，以满足工业大功率微波输出的需求。

Description

一种实现磁控管输出脉冲微波的电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及2.45GHz微波磁控管实现输出脉冲微波的供电装置及其控制方法。将常规2.45GHz磁控管阳极高压改用脉冲供电方式，输出微波功率将增大2~8倍。不但适合常规“热效应”方式加热物料，对温度可以精确控制，也适用于对被处理物使用微波的“非热效应”显著的某些场合，能够大大减少能源损耗。
背景技术
随着微波技术的快速发展，微波加热广泛运用于各个行业中。微波加热因具有加热均匀、加热速度快、效率高、保持处理物原有成分不变等特点，逐渐取代传统的由表及里的加热方式。
微波与物质的相互作用中，单位体积内吸收的微波功率与材料的介电系数ε、介质的“损耗角正切”、微波频率以及电场强度的平方成正比。所以微波加热具有就地发热，不需要经过远距离传输；不同物质的介质的“损耗角正切”不同，越大，表明吸收微波的能力越强，因而微波加热具有“选择性”加热的能力；电场强度越大，在其它参数不变的情况下，吸收的微波大大增加，温度改变更快；同时频率越大，温度上升的效果明显。在其它情况相同的条件下，故使用2.45GHz的磁控管微波的加热效果是915MHz的约三倍。另外微波的穿透深度，（为微波波长）表示微波穿透到物质内部的本领，有86.4%的微波能在这个深度内需要转化为热能。在其它条件不变的情况下，频率越大，穿透的深度越小，这部分的物质受热后温升比其内部高，产生了内外温差。根据微波作用机理可分为“热效应”与“非热效应”两种方式。
不同的物料因吸收微波的性能不同，在“热效应”应用方面有很大的差异，其表征宏观参数为温度。对于2.45GHz磁控管而言，其磁场由永磁材料产生，强度不能改变，只能通过改变磁控管阳极供电方式才能达到影响电场强度的大小，从而达到温度的细微、精确的调节。另一方面在微波的“非热效应”应用方面。从机理上讲，“非热效应”就是利用不同物质的或部件之间的介电常数、损耗角正切的不同，吸收微波的性能不同，或者利用微波穿透深度不一样，产生应力变化，改变结构；或者利用微波的很强的电场强度。这种效应需要足够大的微波功率或者电场强度，但作用时间短。长时间也许会改变物性或者结构。
2.45GHz微波磁控管为连续微波发生器，其供电分为阳极负高压电源与灯丝加热电源两部分。灯丝发射热电子，阳极高压电源在磁控管阴阳极之间产生足够强的电场使热电子向阳极发射，热电子在进入阳极附近正交的电磁场中高速回旋实现动能向微波能的转换。传统的2.45GHz微波磁控管采用工频变压器供电，使用降压绕组供给灯丝，同时使用升压绕组二倍压整流后得到高压。或使用高频开关电源技术，产生持续的高压和灯丝电压。前者具有体积大、笨重、输出纹波大、动态响应速度慢等缺陷，后者虽然能够克服工频变压器电源的缺陷，但是输出电压为平稳直流，二者都存在无法实现微波输出的最大功率化及微波工作时间不能精确可控的缺陷，更不适合对被处理物“非热效应”显著的场合。传统的供电方式会造成大量的能量损耗。同时工业2.45GHz微波磁控管输出功率通常仅为1个多千瓦，不能满足工业大功率微波输出的需求，限制了2.45GHz微波在工业上的运用范围。而高功率脉冲磁控管整套系统成本高、复杂，常应用于雷达技术、加速器、可控核聚变研究和军事领域，单管微波输出在几十千瓦至几百兆瓦之间，时间在几十纳秒至几秒之间，功率越大，时间越短。市场上因缺少价格合理的大功率脉冲微波，一定程度上阻碍了微波“热效应”与“非热效应”的应用进程。所以开发如何利用常规工业磁控管实现大功率的脉冲微波源技术是关键的问题之一。
本发明利用2.45GHz磁控管，提出一种可实现脉冲微波源的电源电路及控制方法。在不改变阳极散热冷却的情况下，实现2.45GHz磁控管阳极供电高压电源在一定重复脉冲频率、占空比可调制输出，以实现微波产生时间精确可控及输出功率的最大化，并通过控制实现2.45GHz磁控管输出功率多管的合成，以满足工业大功率微波输出的需求。可以长时间工作，也可以脉冲工作。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用改变磁控管供电方式及控制技术来实现磁控管阳极供电高压电源在一定重复脉冲频率、占空比可调制输出。如图1所示。包括三个部分：灯丝电源7、阳极负高压电源和控制器1，灯丝电源7用于给灯丝14.2进行加热，产生逸出的热电子，阳极负高压电源包括桥式整流滤波电路4、全桥变换器5、脉宽调制控制电路6、高频变压器10、调制电压产生电路8、本底高压产生电路9、反向续流二极管11、调制开关管12、调制开关管驱动电路2以及光纤接收电路13，调制电压产生电路8和本底高压产生电路9都是负极性输出，磁控管14的阳极14.1是正极，接地处理。
磁控管的阳极高压为本底高压产生电路9和调制电压产生电路8输出之和，用于产生电场，加速电子。控制器1用于控制调制开关管12导通的重复频率及占空比。
工作过程：整个电源使用220V电网3供电，经桥式整流滤波电路4后，进入全桥变换器电路5，然后输出几十kHz的高频双极性电压信号驱动高频变压器10的初级绕组。高频变压器10次级具有两个绕组，一个升压绕组供本底高压产生电路9，另一个供调制电压产生电路8。高频变压器10受脉宽调制控制电路6的恒压闭环控制。
作为进一步具体优化，所述脉宽调制控制电路6包括全桥变换器5的驱动电路、本底高压恒压闭环控制、过流保护及辅助供电等功能。
本底高压产生电路9使用桥式整流滤波电路实现。
调制电压产生电路8使用BOOST升压电路或BUCK降压稳压电路实现。
调制开关管12使用全控功率开关器件，包括功率场效应管MOSFET或者绝缘栅晶体管IGBT。
反向续流二极管11使用具有功率快恢复二极管实现，反向耐压与电流与调制开关管相同。
控制器1发出调制光信号，经光纤传输到光纤接收电路13后，经驱动电路2驱动调制开关管12，调制电压经12导通后输出，与本底高压相加再供给磁控管14的阳极。阳极高压为本底高压产生电路9和调制电压产生电路8输出之和。如果光纤接收电路没有收到调制光信号，调制开关管12截止，本底电压经反向续流二极管11加至磁控管阳极上。
灯丝电源7的功能是输出一个约3.5V，电流约10A的恒定电流供给灯丝产生热电子，使用高频开关电源技术实现，控制方式为脉宽调制技术PWM或者定宽变频调制技术PFM。主电路结构使用反激变换器、正激变换器或者半桥变换器。其高频变压器初级与次级的电压隔离度要超过7000V才安全。
作为进一步具体优化，所述控制器1包括三个部分：数字控制板1.0、N个光纤信号驱动电路、N个光纤发射头以及触摸屏人机界面1.3。N个光纤信号驱动电路并联，每个电路包括2.45GH磁控管及供电装置模块。数字控制板1.0控制N个光纤信号驱动电路的并联工作。N个光纤发射头并联，相互独立工作，具有良好的冗余度，且光纤远程触发具有绝缘效果好、一致性强的特点，能够有效保证控制N个微波源同步调制工作，实现2.45GHz微波功率的合成放大以满足多种工业微波输出高功率的需求。
所采用的电路拓扑结构的原理依据如下：磁控管的工作分为振荡区与非振荡区，非振荡区的模型等效为阻值无穷大的纯阻性负载，其工作电流极小，磁控管此状态下不发出微波。而振荡区的模型等效为高压势垒二极管与电阻串联，工作电流与电压呈现线性关系，即一旦磁控管阳极高压超过高压势垒二极管阀值电压，便由非振荡区进入振荡区工作，并磁控管发出微波功率。其等效模型与伏安特性曲线如图3所示。
当阳极高压低于磁控管工作阀值电压时，热电子因阴极与阳极间较弱的电场而不能发射进入阳极附近正交电磁场以产生微波，这样热电子不断在阴极积累形成预激励，一旦阴阳极间电压快速阶跃超过磁控管阀值电压，大量热电子便向阳极发射进入正交电磁场高速回旋，实现能量的转换产生大功率微波。因此不仅可以通过预激励效应在不影响磁控管的工作寿命的前提下短时间内产生远大于磁控管额定输出功率，而且可以实现微波工作时间的精确控制。所发明的可调制电源装置，当调制开关关断时，调制电源的电压无法加在磁控管上，本底高压单独将经过续流二极管加载在阳极与阴极间，阳极高压低于工作阀值电压，磁控管工作在非振荡模式，处于预激励状态下，不发射微波。当调制开关导通时，调制电源与本底电压叠加在一起加载在阴极与阳极间，阳极电压幅值超过磁控管工作阀值电压，磁控管瞬间快速发射微波。
根据以上机理，采用本发明给2.45GHz磁控管供电，其阳极电流具有图4的典型特征。其中T为重复周期，是重复频率的倒数。Ton与T的比值为占空比。Im为阳极脉冲电流、It为脉冲工作状态下稳定电流。由于磁控管阳极供电功率为阳极电流与阳极电压的乘积，在磁控管转化效率一定的情况下，阳极电压幅值稳定，则输出的微波功率波形形状与阳极电流类似。
输出微波具有调制特点，开始有尖脉冲，约3-8个微秒以后，稳定输出；峰值功率为常规平均功率的5-8倍，后部稳定功率为常规平均功率的2-5倍，大小与调制重复频率及占空比有关。
有益效果：如果调制电压一直输出，则磁控管也一直有微波输出，这个可以应用在“热效应”方式。如果调制电压工作在脉冲模式，输出的微波是脉冲形式，重复频率与占空比都可以调节；脉冲模式下，磁控管处于非振荡区和非振荡区之间快速转化，在预激励时灯丝聚集大量的热电子，故输出微波功率是长时间工作时功率的2-8倍，实现了输出功率的最大化，能压缩及瞬时放大；同时由于阳极电压存在本底电压和快速调制，磁控管工作时间可以精确控制，通过控制器控制便于多管功率合成。
附图说明
图12.45GHz磁控管可调制供电电源及控制结构图，
图2为控制器示意图，
图3磁控管等效模型图及伏安特性，
图4磁控管脉冲微波阳极电流波形特征图，
图5实施例1示意图。
具体实施方式
实施例1：使用2.45GHz磁控管2M469，功率为1.05kW，阳极电压为4450V，阳极电流为0.25A，灯丝电压为3.5V，电流为10A。冷却方式为水冷。使用本发明提出的方法，阴极与阳极间的负高压采用脉冲调制方式供电。如图5所示。市电220V经过EMI滤波与桥堆整流模块后连接至由4个场效应管构成的全桥逆变电路。每个场效应管漏极与源极间间连接RCD吸收回路，用于减少开关损耗。桥臂中点经过隔直电容连接至高频升压变压器。变压器二次侧输出分为两个绕组，其中主绕组经过4个快恢复高压二极管2CLG7.5K与高压电容构成整流滤波电路，得到较平稳直流高压，且输出正向端经过采样电阻经过机壳，连接至大地实现磁控管阴阳极间负高压4000V输出。辅助绕组经过4个快恢复二极管FR307与电容构成的全桥整流滤波模块得到平稳直流低压，再经过Boost电路升压后，得到450V调制电压。脉宽调制芯片SG3525构成的故障检测、保护与反馈控制电路控制。调制开关管使用场效应管。灯丝电源采用L6599D，使用半桥拓扑结构的LLC谐振变换器，通过控制变压器的初级电流大小，间接控制次级灯丝电流实现反馈控制以满足绝缘要求，输出参数为3.5V/10A。控制系统使用DSP，使用多模光纤同时控制60个磁控管工作。脉冲输出模式下，重复频率为0.1Hz~5kHz，占空比1%-90%。
实施例2：使用2.45GHz磁控管2M463G，功率为1.5kW，阳极电压为4650V，阳极电流为0.3A，灯丝电压为3.5V，电流为10A。冷却方式为水冷。使用本发明提出的方法，阴极与阳极间的负高压采用脉冲调制方式供电。市电220V经过EMI滤波与桥堆整流模块后连接至由4个场效应管构成的全桥逆变电路。每个场效应管漏极与源极间间连接RCD吸收回路，用于减少开关损耗。桥臂中点经过隔直电容连接至高频升压变压器。变压器二次侧输出分为两个绕组，其中主绕组经过4个快恢复高压二极管2CLG7.5K与高压电容构成整流滤波电路，得到较平稳直流高压，且输出正向端经过采样电阻经过机壳，连接至大地实现磁控管阴阳极间负高压4200V输出。辅助绕组经过4个快恢复二极管FR307与电容构成的全桥整流滤波模块得到平稳直流低压，再经过BUCK电路后，得到450V调制电压。单片机STM8S构成的故障检测、保护与反馈控制电路控制。调制开关管使用场效应管。灯丝电源高隔离度的工频降压变压器供电，输出参数为3.5V/10A。控制系统使用嵌入式ARMSTM32，使用多模光纤同时控制60个磁控管工作。参数设置使用触摸屏。脉冲输出模式下，重复频率为0.2Hz~5kHz，占空比5%-90%。

Claims (8)

1.一种实现磁控管输出脉冲微波的电源，包括灯丝电源（7）、阳极负高压电源和控制器（1），灯丝电源（7）用于给磁控管（14）的灯丝（14.2）进行加热，产生逸出的热电子，其特征在于，阳极负高压电源包括桥式整流滤波电路（4）、全桥变换器（5）、脉宽调制控制电路（6）、高频变压器（10）、调制电压产生电路（8）、本底高压产生电路（9）、反向续流二极管（11）、调制开关管（12）、调制开关管驱动电路（2）以及光纤接收电路（13），所述调制电压产生电路(8)和本底高压产生电路（9）都是负极性输出，磁控管（14）的阳极（14.1）是正极，接地处理；
磁控管的阳极高压为本底高压产生电路（9）和调制电压产生电路(8)输出之和，用于产生电场，加速电子，控制器（1）用于控制调制开关管（12）导通的重复频率及占空比；
工作过程：整个电源使用220V电网（3）供电，经桥式整流滤波电路（4）后，进入全桥变换器电路（5），然后输出几十kHz的高频双极性电压信号驱动高频变压器（10）的初级绕组，高频变压器（10）次级具有两个绕组，一个升压绕组供本底高压产生电路（9），另一个供调制电压产生电路（8），高频变压器（10）受脉宽调制控制电路（6）的恒压闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种实现磁控管输出脉冲微波的电源，其特征在于，进一步优化，所述脉宽调制控制电路（6）包括全桥变换器（5）的驱动电路、本底高压恒压闭环控制、过流保护及辅助供电功能。
3.根据权利要求1所述的一种实现磁控管输出脉冲微波的电源，其特征在于，所述本底高压产生电路（9）使用桥式整流滤波电路实现。
4.根据权利要求1所述的一种实现磁控管输出脉冲微波的电源，其特征在于，所述调制电压产生电路（8）使用BOOST升压电路或BUCK降压稳压电路实现。
5.根据权利要求1所述的一种实现磁控管输出脉冲微波的电源，其特征在于，所述调制开关管（12）使用全控功率开关器件，为功率场效应管MOSFET或者绝缘栅晶体管IGBT。
6.根据权利要求1所述的一种实现磁控管输出脉冲微波的电源，其特征在于，所述反向续流二极管（11）使用具有功率快恢复二极管实现，反向耐压与电流与调制开关管相同。
7.一种实现磁控管输出脉冲微波的电源的控制方法，其特征在于，控制方法具体过程为：控制器（1）发出调制光信号，经光纤传输到光纤接收电路（13）后，经驱动电路（2）驱动调制开关管（12），调制电压经（12）导通后输出，与本底高压相加再供给磁控管（14）的阳极，磁控管阳极高压为本底高压产生电路（9）和调制电压产生电路（8）输出之和，如果光纤接收电路没有收到调制光信号，调制开关管（12）截止，本底电压经反向续流二极管(11)加至磁控管阳极上；
输出微波具有调制的特征，磁控管阳极电流在一个调制周期内，开始有尖脉冲，3-8个微秒以后，稳定输出；峰值功率为常规平均功率的5-8倍，后部稳定功率为常规平均功率的2-5倍。
8.根据权利要求7所述的一种实现磁控管输出脉冲微波的电源的控制方法，其特征在于，所述控制器（1）包括：数字控制板（1.0）、N个光纤信号驱动电路、N个光纤发射头以及触摸屏人机界面（1.3），N个光纤信号驱动电路并联，每个电路包括2.45GH磁控管及供电装置模块，数字控制板（1.0）控制N个光纤信号驱动电路的并联工作，N个光纤发射头并联，相互独立工作，实现2.45GHz微波功率的合成放大。
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