CN86103326A - 用于具有反向截止特性的负载的供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明是在把变压器变换的电力馈给像磁控管那类具有反向截止特性的负载时，替代通常采用的整流装置，而用将上述负载反偏时的电流旁路装置来构成的供电装置。特别是，对于磁控管那样的非线性负载，借助于反偏电流旁路装置和设于负载电流回路的电感元件的组合，因为不用整流器，从而使实现廉价、紧凑而且具有高度可靠性的供电装置成为可能。

Description

本发明涉及用于高频加热器等设备，将得自商用电网经变压器变换的电力、供给磁控管等具有应向截止特性的负载的供电装置。

一般，对于这种具有反向截止特性的负载，作为用变压器进行电力变换（升压等）后供电的装置，例如，给磁控管供电的磁控管电源装置。图1是这种磁控管电源装置的电路图。电路的组成是这样的：来自商用电网1的电源E的输出，靠升压变压器T升压、经电容器C和二极管D整流、馈至磁控管M。所以，如图2所示，与该图（a）所表示的电源电压波形相对应，供给具有反向截止特性的负载磁控管的电压波形V_AK具有该图（b）所示图形，但是，由电源E所供的输入电流I却如该图（C）表示的那样连续流通，即使是具有反向截止特性的负载，变压器T以及电源E都会正常稳定运行。

然而，这个二极管D必须具有高的耐压性能因而价格昂贵，又由于磁控管M造成的过渡过电压等使其容易击穿，因此希望有去掉这种二极管的供电方式。尤其是当电源E是高频电源时，因为有必要进行高压、高频电力的整流，从技术上讲，难以制造具有完善性能的二极管，就算能够制造，免不了成为价格奇贵的商品。

于是，如图3所示，实现一种将图1的电容器C和二极管D省去不用的供电装置，此时却发生了以下的异常情况，要实现这种形式的装置是困难的。即，如图4所示，变压器T的B-H曲线上的轨迹，在图1的装置的场合是o→a→b→c→d→a，与此相对照，图3的装置的场合，成了o→a→b→a，发生了所谓磁偏移现象，这不仅迫使变压器效率极差、对于电源E的工作也难免造成不良的影响。

根据这样的背景，对于电源E，提出了如图5所示那样、采用回扫型高频逆变器电源的技术方案。图5就是现有的这种供电装置的电路图，它是美国专利第4318165号的说明书中记载的高频加热装置的电源电路图。图中，商用电网1的电力由桥式接法的二极管2整流、形成单方向的电源。3是电感、4是电容器，对逆变器的高频换向运行来说，它们起着滤波器的功能。

逆变器由谐振电容器5、升压变压器6、晶体管7、二极管8及驱动回路9组成。晶体管7靠驱动电路9供给的基极电流、以规定的周期和负载比（即通断时间比）工作在开关状态。其结果，在升压变压器6的一次绕组10中，流有如图6（a）那样的由集电极电流I_c和二极管电流I_d组成的电流I_cd，以及如图6（b）那样的高频电流I_l。所以，在二次绕组11及三次绕组12中分别产生高频高压电力及高频低压电力。高频低压电力通过电容器13、14以及扼流圈15、16馈至磁控管17的阴极端子之间，另一方面，高频高压电力则如图所示供至阳极阴极之间。而在电容器5和磁控管17中流过图6（c）、（d）那样的电流，磁控管17产生振荡，感应加热就成为可能。

以这样的组成，使晶体管7在20KH_Z～100KH_Z的频率下工作，比起就按商用电网频率升压的场合，升压变压器的重量、尺寸可以做到几分之一至几十分之一，具有能使电源部分小型、廉价的特点。

特别是，美国专利第4318165号说明书所示的高频加热装置，由于其升压变压器6的一次绕组10和二次绕组11的极性如图所示那样组合成所谓回扫型换流器电路，所以不用通常用于高压整流的高压二极管也能驱动磁控管17，实现图5那样的高频加热装置。

由于不需要昂贵、大型、高压高频二极管，就进一步实现了高频加热装置的小型化、轻量化、廉价化。

但是，这种现有的高频加热装置有如下缺点。

关于电力变换器之一的换流器或逆变器，例如在L.E.Jansson的文献《用于开关型电源的换流器电路》（电子学应用汇刊，第32卷，第3期，1973年）中曾作了详尽的论述。（Converter    Circuits    for    switched-mode    power    supplies，Electronics    applications    bulletin，Vol.32.No，3，1973）。采用一个晶体管的换流器，有回扫方式和前置方式两种，特别是回扫方式的换流器，因为用元件最少、便宜，多用于电视机的高压发生电路中，这是人所周知的。

但是，在涉及耗能设备那样的大功率的场合，这种特征几乎消失。在下列文献的86页～87页上，详细记载了这个问题，例如在获得200W以上输出的场合，要求附加各种各样部件，结果，实质上，要以回扫方式来实现处理200W左右以上的大功率换流器时，又变得十分复杂、昂贵。再则，尤其对回扫型换流器来说，变压器的漏感为零是最理想的，实际上这一步难以实现，这对于晶体管等半导体开关元件就带来了重大的影响。这种影响随着换流器所处理的电功率愈大而愈为重要，因此，为了保护晶体管不受影响，颇为麻烦，必须用大型的保护装置，对于处理大电力（比如1～2KW）的高频加热装置，回扫方式的换流器是不适用的。

另一方面，象图7那样，升压变压器6的输出直接接到磁控管17，把变压器的极性组成前置方式换流器的极性时，又产生了在图3的说明中说过的异常现象，发生了所谓磁偏移现象，换流器工作不稳定等问题。

亦即，如图4所示，升压变压器6的B-H曲线上的工作轨迹不是o→a→b→c→d→a通常的变压器工作轨迹，而成了o→a→b→a那种效率极差、容易发生磁偏移现象的轨迹。所以，用前置方式换流器，又省去二极管，要构成给具有反向截止特性的磁控管用的供电装置，是极为困难的。

再有，磁控管17的阳极电流I_A难免成为图6（d）所示的峰值很大的电流波形。这是因为，在晶体管7导通期间贮蓄在一次绕组10中的能量，在晶体管7非导通期间通过二次绕组11释放至磁控管17，即所谓回扫型换流器。

此外，由于仅仅在晶体管7非导通期间，磁控管17才流过电流，当为了要得到规定的电流输出功率所规定的平均电流时，不得不使阳极电流I_A的峰值更大。为此，磁控管17的阴极发射能力必须很大，迫使磁控管17成了高价的器件。另外，由于阳极电流I_A的峰值大和阴极发射能力裕量的关系，在规定频率以外的频率处容易发生异常振荡即所谓跳模现象，使磁控管寿命显著缩短。又由于这是规定频率以外的频率，就有高频加热装置的电流 漏量增加等不良情况，限制了高频加热装置的廉价化、并使其可靠性降低等等缺点。

本发明就是为了克服上述现有技术的缺点，以负载和电源工作稳定性为目的，使其既便宜、可靠性高，又适用于大电力负载。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术措施是，由得自商用电网的电源、具有反向截止特性的负载、变供电给负载的变压器、接在所述负载电流回路中的电感元件、以及和所述负载并联、使上述负载反偏时所发生的、由上述变压器能量决定的反偏电流进行傍路的反偏电流傍路装置来构成供电装置。这样的组成，提高了对具有反向截止特性的负载的电源输出阻抗，防止负载侧的电流冲击，同时，将上述负载反偏时由变压器能量决定的负载电流傍路，防止了由变压器绕组的寄生电容造成的谐振电压或是漏电感造成的尖峰电压等异常高电压。尤其是采用作为傍路装置的电容器时，同电感元件之间起到了低通滤波器的作用，进一层抑制了负荷方面的电流冲击，便能够进行稳定的供电。

再则，本发明的另一种形态是由得自商用电网的电源、有至少一个半导体开关及其驱动环节的产生高频电力的电力变换器、加热食品或流体等的磁控管、将所述电力变换器的输出供给这个磁控管的升压变压器、接在所述磁控管电流回路中的电感元件以及和所述磁控管并联、将磁控管反偏时发生的决定于变压器能量的反偏电流傍路用的反偏电流傍路装置所组成。

根据这样的组成，本发明的供电装置由于在磁控管电流回路中接了电感元件，又设有和磁控管并联的反偏电流傍路环节，而且将电力变换器的输出升压馈至磁控管，所以是一种不用高压二极管的组成，同时提高了对磁控管来说电源的阻抗，防止了磁控管阳极电流陡升至峰值，使磁控管和电力变换器都确实稳定工作，而且，即使是回扫方式的换流器以外的电力变换器，也有使其稳定工作的作用。同时，电压极性使磁控管反偏时，由升压变压器的能量决定的电流在傍路环节傍路，防止发生升压变压器的磁偏移现象以及升压变压器绕组的寄生电容造成的谐振电压或者漏电感造成的尖峰电压等异常高电压，磁控管、升压变压器以及电力变换器的半导体开关的工作确实做到安全又稳定。

和既存技术相比较，本发明的特征和积极效果如下。

（1）不会发生变压器的磁偏移现象和异常高电压，而且用省略整流器的电路组成，能够提供具有反向截止特性的功率负荷供电的装置，同时能够使装置廉价、可靠性高、结构紧凑。

（2）由于能够提高电源的输出阻抗，对于具有非线性反向截止特性的负载，能够发挥抑制冲击电流的作用，保证电源和负载稳定工作，并提高其安全性、可靠性。

（3）再则，在包含逆变器、变流器等的电源的场合，有可能采用适合于大功率负载的前置型变流器，由于没有用高压二极管，就能够提供廉价、可靠性高、结构紧凑的供电装置。加之，由于用电容器构成反偏电流傍路装置，所以能够实现和电感元件组成低通滤波器的功能，能够抑制供给负载电力的高频分量。因此，能提供使负载和电源工作更加稳定的供电装置。

图1是现有供电装置的电路图，图2（a）（b）（c）是该装置的工作电压、电流的波形图，图3是为了说明现有装置缺点的供电装置电路图，图4是该装置的变压器的B-H曲线，图5是用回扫型换流器的现有供电装置电路图，图6（a）～（d）是该装置的工作电压、电流波形，图7是为了说明该装置缺点的电路图，图8是表示本发明一种应用实例的供电装置电路图，图9是该装置一次侧等值电路，图10是表示本发明另一种应用实例的供电装置电路图，图11是磁控管的电压电流特性，图12是为了说明本发明的供电装置工作特点的磁控管阳极电压波形，图13是为了说明本发明的供电装置工作特点的磁控管阳极电流I_A和电容器电流I_CH的向量图，图14是用来说明本发明的供电装置的高压电容器的作用的，图15是采用前置型变流器的表示本发明又一种应用实例的供电装置电路图，图16（a）～（e）是该装置的工作电压、电流波形。

本发明是为磁控管等具有反向截止特性的负荷良好地供电的供电装置，这里主要以磁控管为负载的食品加热用高频加热装置为例加以说明。

在图8中，电源E供给升压变压器T一次电流I_L，变压器T变换的电力馈至具有反向截止特性的负载-磁控管M。如后所述，变压器T的一次绕组P和二次绕组S之间的耦合度比普通变压器的小（比如约0.6～0.8），亦即是一种所谓漏磁式变压器，它是在其漏电感接在磁控管M阳极电流I_A回路中的状态下工作的。另一方面，电容器C_P和磁控管M并联连接，对磁控管M形成了傍路。所以，当磁控管被反偏的极性时，由于变压器T中流过二次电流I_CH，就能防止变压器T铁心的磁偏移等，同时防止二次绕组S出现开路状态，且能防止发生尖峰电压及二次绕组的寄生电容造成的谐振电压等异常高电压。

图9是图8电路一次侧的等值电路图，L₁是一次绕组P的自感，K是一次绕组和二次绕组S的耦合系数。磁控管M可以用电阻RM、二极管DM、齐纳二极管ZDM的串联电路来代替，电容器C_H和这个串联电路相并联。像图11所示的那样，磁控管的特性是极端非线性的，动态阻抗非常小。所以，加大变压器T的漏磁，使其漏电感（1-K）L₁比普通变压器的大，借此，就能提高从变压器T的二次侧看的阻抗Z_i，使变压器具有恒电流源的性质。因此，使磁控管M、电源E稳定工作成为可能。

图10是表示本发明另一种实例的电路图，图中凡和图1中相同的元件都用相同的符号标记，说明从简。

图10中，升压变压器T具有和普通变压器相同的耦合度K，K＝0.9～1.0，所以单靠变压器的漏电感难以作到在磁控管M的电流I_A回路中插入足够大的电感，因而加接了串联电感元件L_S。靠这种组成，就能得到同图8一样的作用和效果。这样一来，电容器C_P又防止了如图12所示的、磁控管反偏时由寄生电容在二次绕组S中造成的异常高电压，发挥了将反电压抑制到如图中虚线所示的较低值的作用。所以，变压器T和磁控管M的耐压不必很高，因而能廉价地制造。

再则，靠适当选择电容器C_P的电容量，能够将上述磁控管反偏时的高压限制到较低值。

如图13所示，磁控管M的电流I_A和电容器C_P的电流I_CH有90°的相位差。所以，当磁控管正偏时，流经变压器T的电流I_L是两者之合成，另一方面，反偏时，电流I_L就等于电容器电流I_CH。图14以模型来说明这个问题。图中，与流过变压器T的二次绕组S的电流相当的电流I_L在正、负两种电压极性时，从O变化到I_LP（只考虑绝对值）。这是因为把变压器考虑成理想恒电流源的缘故。

考察电容器C_P具有某一电容量时的情况。磁控管正偏时，工作点从O开始、沿图中实线表示的I_CH移至V_AKO，如果电流I_A流出，则沿I_CH+I_A移至I_L＝I_LP，然后回到O。接着，磁控管反偏时，工作点则从O沿实线所示的I_CH移至I_L＝I_LP再回到零，因此，磁控管M的电压V_AK＝（变压器的二次电压）等于V_K1。于是，如果电容器C_P的电容量相当小，流通电流乃是以锁线表示的I_CH2。所以，反偏时磁控管M的电压V_AK＝V_AK2＞V_AK1，电容器C_P的电容量愈大，磁控管M的电压V_AK愈有可能降低。但是电容器C_P的电容量太大的话，就对电源E带来不良影响，因此，C_P的值必须选得适当，如从图14能够推测的那样，其阻抗不超过10倍磁控管M的阻抗为好。

图15是表示本发明又一种实例的供电装置方框图，电源E采用逆变器，和图5中相同的元件用同样的符号表示，说明从简。

图15中，商用电网1的电力乃经直流电源18馈至逆变器19。逆变器19由晶体管7组成的半导体开关等构成，通过升压变压器6将高压电力供给磁控管17。这样，流过晶体管7、升压变压器6的一次绕组10、谐振电容器5以及磁控管17的电流，分别如图16（a）、（b）、（c）、（d）所示。亦即，升压变压器6的一次绕组10上流过图16（a）所示的由集电极电流I_C和二极管电流I_d组成的电流I_cd。而一次绕组10中流过该图（b）所示的高频电流I_A。谐振电容器5中流过的是该图（c）所示的电流I_C，磁控管17中流过该图（d）所示的阳极电流I_A。磁控管17的阳极电压VA_K如该图（e）所示。这是由于升压变压器6的一次绕组10和二次绕组11的极性安排如图所示的那样，以及如图8所述，升压变压器6为漏磁型变压器，再则高压电容器21、22与磁控管17并联以构成磁控管反偏电流傍路环节等等造成的结果。

另外，由于接入了漏电感和电容器C_H，阳极电流I_A就如图16（d）所示，不是尖峰形而是梯形波，这样抑制了阴极劣化及跳模现象的发生，使实现安全可靠的供电装置成为可能。

再有，图8中的高压电容器C_P，在图15中是兼作磁控管17的滤波电容的高压电容器21、22。磁控管17的阴极端子之间接有电容器20，而扼流圈15、16则在同一铁心上用双线绕制而成。因而，两个高压电容器21、22的合成电容起着图8中的高压电容器C_P的作用。这样一来，由于能够从阴极两端供给磁控管高电压，在以高频电压驱动磁控管的场合，就能够使阴极端子间电位差减小、促进磁控管稳定振荡，具有抑制发生高频的效果。由于高频电流能分流于电容器21、22，这就限制了高压电容器21、22的发热，能够实现廉价和高可靠性。此外，高压电容器21、22用作成一体的电容器来构成时，能兼作电容器20之用，而且容易和磁控管17组成整体元件。因此，既能实现高压电容器群的紧凑、廉价，又容易防止磁控管的无用幅射。

勘误表

CPEL865160

Claims (11)

1、一种供电装置，其特征在于备有得自商用电网等的电源、具有反向截止特性的负载和变换电力供给该负载的变压器，设有在上述负载反偏时抑制或消除上述变压器二次绕组的寄生电容造成的谐振电压的反偏电流傍路装置。

2、权利要求1所述的供电装置，其特征在于，电源至少包含一个半导体开关元件来组成，该元件将商用电网的电力变換成高频电力而后供给变压器。

3、一种装电装置，其特征在于备有得自商用电网等的电源、具有反向截止特性的负载和变換电力供给该负载的变压器、在上述负载电流回路中接有电感元件、并设有和上述负载并联、在上述负载反偏时，使由上述变压器二次绕组的能量决定的反偏电流傍路的反偏电流傍路装置。

4、权利要求3所述供电装置，其特征在于具有用于反偏电流傍路装置的电容器。

5、一种供电装置，其特征在于根据商用电网等的特性、配有为产生高频电力、有至少一个半导体开关及其驱动环节的电力变换器的电源、具有反向截止特性的负载、把上述电力变换器的输出供给这个负载的升压变压器、接入于上述负载电流回路中的电感元件以及和上述负载并联、在上述负载反偏时，使由上述升变压器的能量决定的反偏电流傍路的反偏电流傍路装置。

6、权利要求5所述的供电装置，其特征在于具有用于反偏电流傍路装置的电容器。

7、权利要求6所述的供电装置，其特征在于使流经电容器的电流和流经负载的电流的大小大略相等。

8、权利要求5所述的供电装置其特征在于具有用于电力变换器的前置型变流器。

9、权利要求5所述的供电装置其特征在于负载以磁控管构成、用来供给为食品或流体加热用电力。

10、权利要求9所述的供电装置其特征在于反偏电流傍路装置用电容器来构成，这个电容器至少有一部分兼作防止不需要的磁控管辐射用电容器。

11、权利要求9所述的供电装置其特征在于反偏电流傍路装置用电容器来构成，该电容器至少有一部分兼作为同磁控管装配成一体的、防止不需要的辐射用的贯通电容器。

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