CN210518900U - 占空比可调的大功率微波电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微波电源，具体涉及占空比可调的大功率微波电源，包括用于向磁控管阳极提供电压的阳极电源分机，以及用于将阳极电源分机的输出调制成脉冲高压输出并向磁控管阴极提供电压的灯丝与调制分机，阳极电源分机包括用于产生高压直流电的高压直流电源，高压直流电源包括用于进行整流滤波的第一整流滤波模块，与第一整流滤波模块相连的用于将直流电变为交流电的谐振逆变模块，与谐振逆变模块相连的用于进行调压的功率变压器；本实用新型提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的二次谐振带来的电流尖峰、不能在负载短路情况下正常工作、阴极输出无法有效隔离、阴极输出不能悬浮采样的缺陷。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波电源，具体涉及占空比可调的大功率微波电源。
背景技术
微波能作为一种新型高效的加热能源，在物料干燥提纯、杀菌、冶炼、陶瓷烧结、垃圾处理、污水处理、化学催化反应以及微波等离子体领域中得到了广泛应用，而作为微波产生元件的磁控管，具有功率大、效率高、尺寸小、成本低的特点，为目前微波能应用的首选。
微波输出功率为15kW的磁控管为现有较成熟与常用的磁控管，其阳极电源的功率为20kW，电压为12kV，灯丝电流为48A。
本申请技术方案基于15kW磁控管的占空比可调的微波电源，包含阳极电源分机、灯丝与调制分机两部分，通过高压脉冲调制开关，将阳极电压调制为脉冲高压输出至磁控管，实现微波功率的脉冲输出，以调整输出微波的平均功率，同时高压脉冲的占空比可以通过通信接口进行连续调节。
实用新型内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本实用新型提供了占空比可调的大功率微波电源，能够有效克服现有技术所存在的二次谐振带来的电流尖峰、不能在负载短路情况下正常工作、阴极输出无法有效隔离、阴极输出不能悬浮采样的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
占空比可调的大功率微波电源，包括用于向磁控管阳极提供电压的阳极电源分机，以及用于将所述阳极电源分机的输出调制成脉冲高压输出并向磁控管阴极提供电压的灯丝与调制分机；
所述阳极电源分机包括用于产生高压直流电的高压直流电源，所述高压直流电源包括用于进行整流滤波的第一整流滤波模块，与所述第一整流滤波模块相连的用于将直流电变为交流电的谐振逆变模块，与所述谐振逆变模块相连的用于进行调压的功率变压器，与所述功率变压器相连的用于进行高压整流滤波的高压整流滤波模块，与所述谐振逆变模块相连的用于驱动所述谐振逆变模块中第一控制开关的第一控制驱动模块；
所述灯丝与调制分机包括用于将所述高压直流电源输出的高压直流电调制成脉冲高压输出的调制开关，以及用于向磁控管阴极提供电压的灯丝电源，所述灯丝电源包括用于进行整流滤波的第二整流滤波模块，与所述第二整流滤波模块相连的用于将直流电变为交流电的逆变模块，与所述逆变模块相连的用于进行调压的高频开关变压器，与所述高频开关变压器相连的用于进行整流滤波的第三整流滤波模块，与所述逆变模块相连的用于驱动所述逆变模块中第二控制开关的第二控制驱动模块；
所述高压直流电源输出的电流与所述灯丝电源输出的电流对磁控管进行联动调节。
优选地，所述阳极电源分机、灯丝与调制分机上均设有用于调节脉冲占空比的外接通信接口。
优选地，所述第一整流滤波模块、第二整流滤波模块均采用全波整流电路、同步整流电路、多脉波整流电路中的任意一种。
优选地，所述第一整流滤波模块、第二整流滤波模块中均包括用于提高功率因数的PFC电路。
优选地，所述逆变模块包括第二控制开关V5、V6，所述第二控制驱动模块驱动所述第二控制开关V5、V6调频交替导通推动所述高频开关变压器，并通过所述第三整流滤波模块输出直流电压。
优选地，所述调制开关包括高压固态开关S1、S2，所述高压直流电源的输出端之间串联有电阻R1、高压固态开关S1、电阻R2、高压固态开关S2，所述高压固态开关S1、电阻R2之间与所述高压固态开关S2、高压直流电源的输出端之间并联有电阻R3和输出负载。
优选地，所述调制开关外接有用于驱动所述高压固态开关S1、S2交替导通的驱动电路。
优选地，所述高压固态开关S1、S2均采用IGBT串联组成。
(三)有益效果
与现有技术相比，本实用新型所提供的占空比可调的大功率微波电源具有以下有益效果：
1、由于将谐振电容C1放在功率变压器的次级，与功率变压器的分布电容折合到初级后与谐振电感L1谐振，形成了谐振电感L1+功率变压器漏感+分布电容+谐振电容C1的形式，将功率变压器的漏感与分布电容完全利用上，避免了谐振电感-谐振电容-漏感-分布电容的连接结构导致的二次谐振问题而带来的电流尖峰问题；
2、在输出短路时，初级谐振回路为桥式电路对谐振电感L1充放电形式，波形为三角波，高压直流电源不会产生电流尖峰，导致第一控制开关损坏，即高压直流电源可以在短路情况下正常工作，因此电源抗打火能力极强；
3、由于谐振电感L1的存在，高压直流电源表现为恒流特性，可短路工作，抗打火能力强，适合连续波磁控管工作；
4、采用高频开关变压器对灯丝电源的输出端进行隔离，通过增加高频开关变压器初次级的绝缘强度，实现初次级线包10kV的隔离电压，确保灯丝电源稳定工作，减小了电源的体积；
5、通过高频开关变压器辅助绕组给次级电路供电，将电流与电压信号转换为频率信号，通过高频开关变压器隔离后送至低压侧，再变化为电压信号，用来闭环与显示，实现阴极输出悬浮采样。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型系统示意图；
图2为本实用新型图1中高压直流电源系统示意图；
图3为本实用新型图2中谐振逆变模块电路示意图；
图4为本实用新型图2中谐振逆变模块工作电流波形示意图；
图5为本实用新型图1中灯丝电源电路示意图；
图6为本实用新型图1中的调制开关与驱动电路连接示意图；
图7为本实用新型图6中调制开关电路示意图；
图中：
1、第一整流滤波模块；2、谐振逆变模块；3、功率变压器；4、高压整流滤波模块；5、第一控制驱动模块；6、第二整流滤波模块；7、逆变模块；8、高频开关变压器；9、第三整流滤波模块；10、第二控制驱动模块。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
占空比可调的大功率微波电源，如图1至图7所示，包括用于向磁控管阳极提供电压的阳极电源分机，以及用于将阳极电源分机的输出调制成脉冲高压输出并向磁控管阴极提供电压的灯丝与调制分机；
阳极电源分机包括用于产生高压直流电的高压直流电源，高压直流电源包括用于进行整流滤波的第一整流滤波模块1，与第一整流滤波模块1相连的用于将直流电变为交流电的谐振逆变模块2，与谐振逆变模块2相连的用于进行调压的功率变压器3，与功率变压器3相连的用于进行高压整流滤波的高压整流滤波模块4，与谐振逆变模块2相连的用于驱动谐振逆变模块2中第一控制开关的第一控制驱动模块5；
灯丝与调制分机包括用于将高压直流电源输出的高压直流电调制成脉冲高压输出的调制开关，以及用于向磁控管阴极提供电压的灯丝电源，灯丝电源包括用于进行整流滤波的第二整流滤波模块6，与第二整流滤波模块6相连的用于将直流电变为交流电的逆变模块7，与逆变模块7相连的用于进行调压的高频开关变压器8，与高频开关变压器8相连的用于进行整流滤波的第三整流滤波模块9，与逆变模块7相连的用于驱动逆变模块7中第二控制开关的第二控制驱动模块10；
高压直流电源输出的电流与灯丝电源输出的电流对磁控管进行联动调节。
阳极电源分机、灯丝与调制分机上均设有用于调节脉冲占空比的外接通信接口。
第一整流滤波模块1、第二整流滤波模块6均采用全波整流电路、同步整流电路、多脉波整流电路中的任意一种。
第一整流滤波模块1、第二整流滤波模块6中均包括用于提高功率因数的PFC电路。
逆变模块7包括第二控制开关V5、V6，第二控制驱动模块10驱动第二控制开关V5、V6调频交替导通推动高频开关变压器8，并通过第三整流滤波模块9输出直流电压。
调制开关包括高压固态开关S1、S2，高压直流电源的输出端之间串联有电阻R1、高压固态开关S1、电阻R2、高压固态开关S2，高压固态开关S1、电阻R2之间与高压固态开关S2、高压直流电源的输出端之间并联有电阻R3和输出负载。
调制开关外接有用于驱动高压固态开关S1、S2交替导通的驱动电路。
高压固态开关S1、S2均采用IGBT串联组成。
如图4所示，谐振逆变模块工作过程分析如下：
t0时刻，第一控制驱动模块5驱动第一控制开关V1、V4导通，谐振电容C1与功率变压器3的分布电容折合到功率变压器3的初级后与谐振电感L1串联谐振，此时相当于功率变压器3的次级短路，因此不向次级传递能量。
t1时刻，谐振结束，电流开始从功率变压器3的初级流过，向次级传递能量。
t2时刻，第一控制驱动模块5驱动第一控制开关V1、V4关断，由于谐振电感L1的续流作用，电流继续从功率变压器3的初级流过，并且使二极管D2、D3导通，电流流回供电端，电流开始下降。
t3时刻，第一控制驱动模块5驱动第一控制开关V2、V3导通，此时由于二极管D2、D3的导通，使得第一控制开关V2、V3的电压被锁定，此时第一控制开关V2、V3无开启损耗。
t4时刻，电流续流结束，电流换向，由于电容的极性与电流相反，此时谐振电感L1与谐振电容C1再次进行串联谐振，直到t5时刻谐振结束，这段时间内同样不向功率变压器3的次级传递能量。t5时刻后，工作方式同上半周期。
由于将谐振电容C1放在功率变压器3的次级，与功率变压器3的分布电容折合到初级后与谐振电感L1谐振，形成了谐振电感L1+功率变压器3漏感+分布电容+谐振电容C1的形式，将功率变压器3的漏感与分布电容完全利用上，避免了谐振电感-谐振电容-漏感-分布电容的连接结构导致的二次谐振问题而带来的电流尖峰问题。
在输出短路时，初级谐振回路为桥式电路对谐振电感L1充放电形式，波形为三角波，高压直流电源不会产生电流尖峰，导致第一控制开关损坏，即高压直流电源可以在短路情况下正常工作，因此电源抗打火能力极强。
由于谐振电感L1的存在，高压直流电源表现为恒流特性，可短路工作，抗打火能力强，适合连续波磁控管工作。
如图6、图7所示，高压脉冲调制开关采用全固态晶体管开关S1、S2，全固态晶体管开关S1、S2采用多只IGBT串联，并通过紧凑、合理的布局组成。高压脉冲调制开关包含有用于驱动全固态晶体管开关S1、S2交替导通的驱动电路。
对于驱动组件，+15V给其供电，TTL/CMOS信号输入通过处理，采用脉冲变压器方式输出给全固态晶体管开关S1、S2进行驱动，控制全固态晶体管开关S1、S2的导通与截止，并隔离了高压。当TTL/CMOS信号为0V时，开关停止工作；当信号为+5V/+15V时，开关连续工作。
调制开关采用正负双开关方式，通过全固态晶体管开关S1、S2的交替工作，实现上升下降沿小于500ns的方波输出。
调制开关包括高压固态开关S1、S2，高压直流电源的输出端之间串联有电阻R1、高压固态开关S1、电阻R2、高压固态开关S2，高压固态开关S1、电阻R2之间与高压固态开关S2、高压直流电源的输出端之间并联有电阻R3和输出负载。
如图5所示，逆变模块7包括第二控制开关V5、V6，第二控制驱动模块10驱动第二控制开关V5、V6调频交替导通推动高频开关变压器8，并通过第三整流滤波模块9输出直流电压。
采用高频开关变压器8对灯丝电源的输出端进行隔离，通过增加高频开关变压器8初次级的绝缘强度，实现初次级线包10kV的隔离电压，确保灯丝电源稳定工作，减小了电源的体积。
通过高频开关变压器8辅助绕组给次级电路供电，将电流与电压信号转换为频率信号，通过高频开关变压器8隔离后送至低压侧，再变化为电压信号，用来闭环与显示，实现阴极输出悬浮采样。
直流灯丝可实现稳定输出，对提高磁控管寿命具有一定的积极意义。采用开关电源方式可实现对灯丝电源的缓启动，减小对灯丝的冲击，可提高磁控管寿命。高压直流电源输出的电流与灯丝电源输出的电流对磁控管进行联动调节，可以降低磁控管灯丝的工作温度，延长使用寿命。
本申请技术方案中可以借助通信接口对调制开关输出脉冲高压的占空比进行调节，可以在0～100％内连续调节，实现微波平均功率的0～100％连续调节，调节范围大，输出功率精确可控。
本申请技术方案的目的仅是为了提供一种不同于现有技术的硬件配置，使技术人员能够在这样的硬件配置下实现进一步的开发，至于软件程序可在后期由本领域的编程人员根据实际效果需要进行编程。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：包括用于向磁控管阳极提供电压的阳极电源分机，以及用于将所述阳极电源分机的输出调制成脉冲高压输出并向磁控管阴极提供电压的灯丝与调制分机；
所述阳极电源分机包括用于产生高压直流电的高压直流电源，所述高压直流电源包括用于进行整流滤波的第一整流滤波模块(1)，与所述第一整流滤波模块(1)相连的用于将直流电变为交流电的谐振逆变模块(2)，与所述谐振逆变模块(2)相连的用于进行调压的功率变压器(3)，与所述功率变压器(3)相连的用于进行高压整流滤波的高压整流滤波模块(4)，与所述谐振逆变模块(2)相连的用于驱动所述谐振逆变模块(2)中第一控制开关的第一控制驱动模块(5)；
所述灯丝与调制分机包括用于将所述高压直流电源输出的高压直流电调制成脉冲高压输出的调制开关，以及用于向磁控管阴极提供电压的灯丝电源，所述灯丝电源包括用于进行整流滤波的第二整流滤波模块(6)，与所述第二整流滤波模块(6)相连的用于将直流电变为交流电的逆变模块(7)，与所述逆变模块(7)相连的用于进行调压的高频开关变压器(8)，与所述高频开关变压器(8)相连的用于进行整流滤波的第三整流滤波模块(9)，与所述逆变模块(7)相连的用于驱动所述逆变模块(7)中第二控制开关的第二控制驱动模块(10)；
所述高压直流电源输出的电流与所述灯丝电源输出的电流对磁控管进行联动调节。
2.根据权利要求1所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述阳极电源分机、灯丝与调制分机上均设有用于调节脉冲占空比的外接通信接口。
3.根据权利要求1所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述第一整流滤波模块(1)、第二整流滤波模块(6)均采用全波整流电路、同步整流电路、多脉波整流电路中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述第一整流滤波模块(1)、第二整流滤波模块(6)中均包括用于提高功率因数的PFC电路。
5.根据权利要求1所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述逆变模块(7)包括第二控制开关V5、V6，所述第二控制驱动模块(10)驱动所述第二控制开关V5、V6调频交替导通推动所述高频开关变压器(8)，并通过所述第三整流滤波模块(9)输出直流电压。
6.根据权利要求1所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述调制开关包括高压固态开关S1、S2，所述高压直流电源的输出端之间串联有电阻R1、高压固态开关S1、电阻R2、高压固态开关S2，所述高压固态开关S1、电阻R2之间与所述高压固态开关S2、高压直流电源的输出端之间并联有电阻R3和输出负载。
7.根据权利要求6所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述调制开关外接有用于驱动所述高压固态开关S1、S2交替导通的驱动电路。
8.根据权利要求6所述的占空比可调的大功率微波电源，其特征在于：所述高压固态开关S1、S2均采用IGBT串联组成。
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| GR01 | Patent grant | ||
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