DE3918299A1

DE3918299A1 - SWITCHING POWER SUPPLY FOR OPERATING A MAGNETRON

Info

Publication number: DE3918299A1
Application number: DE19893918299
Authority: DE
Inventors: Uwe Hartmann; Udo Mai
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 1989-06-05
Filing date: 1989-06-05
Publication date: 1990-12-06
Also published as: EP0401697A3; EP0401697A2

Description

Magnetrons werden vorzugsweise in Mikrowellenöfen für die Garung oder Erwärmung von Speisen bzw. Getränken, sowie zum Auftauen tiefgekühlter Kost eingesetzt. Der Vorteil dieser modernen Art der Zubereitung ist der geringe Zeitaufwand und eine gewisse Wirtschaftlichkeit. Die Wirtschaftlichkeit besteht aber nur des halb, weil ausschließlich das Gargut, nicht aber Töpfe, Pfannen, Herdplatte usw., aufgeheizt werden. Das Magnetron selbst hat ei nen schlechten Wirkungsgrad (ca. 50%). Der Wirkungsgrad steigt jedoch mit dem Anodenstrom. Bei dem maximal zulässigen Wert (z. Zt. 1,2 A) werden etwa 70% erreicht.Magnetrons are preferably used in microwave ovens for cooking or heating food or beverages, as well as thawing frozen food used. The advantage of this modern type the preparation is the small amount of time and a certain amount Economics. The economy is only that half, because only the food is cooked, but not pots, pans, Stovetop, etc., are heated. The magnetron itself has an egg poor efficiency (approx. 50%). The efficiency increases however with the anode current. At the maximum allowable value (e.g. Currently 1.2 A) about 70% are achieved.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesem theoretischen Wert unter der Berücksichtigung der gesetzlichen Vorschriften bezüglich Oberwel lenbildung auf der Netzversorgungsleitung (VDE 0838, Teil 2) sehr nahe zu kommen.The object of the invention is to keep this theoretical value below Consideration of the legal regulations regarding Oberwel len formation on the power supply line (VDE 0838, part 2) very much to get close.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, wie im Haupt- und Unteran spruch aufgeführt, gelöst.According to the invention, this task, as in the main and Unteran saying listed, solved.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die durch das Schaltnetz teil erzeugten Anodenstrompulse immer und unabhängig von der Netzaugenblicksspannung maximale Amplitude aufweisen. Der Einfluß der Netzaugenblicksspannung beschränkt sich nur auf das Tastver hältnis. This measure ensures that the switching network Partly generated anode current pulses always and independently of the Have instantaneous voltage maximum amplitude. The influence the mains instantaneous voltage is limited only to the pushbutton ratio.

Basic functional description

Bild 1 zeigt das Gesamtschaltbild eines Schaltnetzteiles für ei ne Ausgangsleistung von ca. 300 W. Die Bilder 2a bis 2k geben ei ne Übersicht über die Strom- und Spannungsverhältnisse in der Ausgangsstufe. Figure 1 shows the overall circuit diagram of a switching power supply for an output power of approx. 300 W. Figures 2a to 2k provide an overview of the current and voltage conditions in the output stage.

In Abhängigkeit der Netzspannung (190 V∼, 220 V∼ und 264 V∼) ist je weils für eine halbe Netzperiode die Netzspannung (Bild 2a) und die Stromaufnahme (Bild 2b) dargestellt. Als Pakete sind Kollek torstrom und Strom durch die Diode DF, sowie Kollektorspan nung in den Abb. 2c, d und e wiedergegeben. Die Paketbrei te (prozentualer Anteil der Gesamstromflußzeit) wird im Betrieb mit maximaler Leistung nur durch die Netzaugenblicksspannung be stimmt. Im Vorheizbetrieb wird sie zusätzlich durch die Rampen spannung an CR begrenzt. Im Normalbetrieb erreicht die Rampen spannung (Bild 2f) nicht die Abschaltschwelle von D 8 (5,6 V). In den weiteren Bildern unter 2 sind Zeitlupendarstellungen für die Fälle der Netzaugenblicksspannungen 70 V und 370 V (264 V × √2) dargestellt.Depending on the mains voltage (190 V∼, 220 V∼ and 264 V∼), the mains voltage ( Fig. 2a) and the current consumption ( Fig. 2b) are shown for half a mains period. The collector current and current through the diode DF as well as the collector voltage are shown as packages in Figs. 2c, d and e. The package width (percentage of the total current flow time) is determined by the instantaneous voltage only when operating at maximum power. In preheating mode, it is also limited by the ramp voltage at CR. In normal operation, the ramp voltage ( Fig. 2f) does not reach the switch-off threshold of D 8 (5.6 V). In the further pictures under 2 slow-motion representations are shown for the cases of the mains instantaneous voltages 70 V and 370 V (264 V × √2).

Die Endstufe arbeitet im Sperrwandler, Durchflußwandler- und Paketbetrieb. Die Freilaufzeit ist abgestimmt (Resonanzkreis: CF/Speicherinduktivität). Die Freilauffrequenz ist etwa 42 kHz, d. h. die Freilaufzeit ist ca. 12 µs (Halbsinus). Die Kollektor spannung ist auf 800 V konstant gehalten. The output stage works in flyback converter, forward converter and packet mode. The freewheeling time is coordinated (resonant circuit: CF / storage inductance). The freewheeling frequency is approximately 42 kHz, ie the freewheeling time is approx. 12 µs (half sine). The collector voltage is kept constant at 800 V.

Die Leitzeit des Transistors T 1 ist in Abhängigkeit der Netzau genblicksspannung unterschiedlich (etwa 45 µs bei 70 V und 6 µs bei 370 V).The conduction time of the transistor T 1 differs depending on the network instantaneous voltage (about 45 microseconds at 70 V and 6 microseconds at 370 V).

Ziel ist es, daß der Kondensator CF in der Freilaufphase unabhän gig von der Netzaugenblicksspannung immer gleichgroße Energiezu fuhr erhält. Der Kondensator bekommt Energie nach dem Abschalten des Transistors T 1 aus der Speicherspule und der Netzspannung. Um den Einfluß der Netzeffektiv- und der Netzaugenblicksspannung zu beseitigen, wird der dem Kollektorstrom proportionalen Spannung an Rref eine der Netzspannung proportionale Spannung addiert und an den Komparator 4 gelegt. (Für die Netzeffektivspannung: R 11, C 10 und R 5, für die Netzaugenblicksspannung: D 10 und R 5.) Es wird erreicht, daß der Kollektorstrom umgekehrtproportional der Netz- und Netzaugenblicksspannung moduliert wird (Bild 2c) und daß die Spannung an CF konstant ist (Bilder 2e und 2g). Damit ist wunschgemäß auch der Anodenspitzenstrom konstant. Die Bilder 2g bis 2k verdeutlichen, daß das Pulspausenverhältnis in Abhän gigkeit der Netzspannung stark moduliert ist, so daß die Netz stromaufnahme nach VDE 0838, Teil 2, nahezu sinusförmig ist (Bild 2b).The goal is that the capacitor CF in the freewheeling phase regardless of the network instantaneous voltage always receives the same amount of power. The capacitor receives energy after switching off the transistor T 1 from the storage coil and the mains voltage. In order to eliminate the influence of the mains rms voltage and the mains instantaneous voltage, the voltage proportional to the collector current at Rref is added to a voltage proportional to the mains voltage and applied to the comparator 4 . (For the line effective rms voltage: R 11 , C 10 and R 5 , for the line instantaneous voltage: D 10 and R 5. ) It is achieved that the collector current is modulated inversely proportional to the line and line instantaneous voltage ( Figure 2c) and that the voltage at CF constant (images 2e and 2g). As desired, the anode peak current is also constant. The images 2g-2k illustrate that the pulse pause ratio is strongly modulated in depen dependence of the mains voltage, so that the power current consumption in accordance with VDE 0838, part 2, nearly sinusoidal (figure 2b).

Zur Lösung dieser Aufgabe kann natürlich auch die Abschaltrefe renzspannung (UL) netzspannungsmoduliert werden. To solve this task, the cut-off reference voltage (UL) can of course also be modulated in line voltage.

Der Transistor ist immer abgeschaltet (Treibereingang = high):The transistor is always switched off (driver input = high):

- if the voltage at Rref (∼ collector current) plus the voltage through D 10 and R 4 (∼ the instantaneous voltage) plus the voltage through R 11 , C 10 , and R 5 (∼ the effective voltage) UL (adjustable with potentiometer P ) reference voltage).
(Function: comparator 4 ).
- when the current mains voltage at the CL is 70 V. (Function: comparator 1 , d 1 ),
- when the driver voltage is 10 V.
(Function: D 7 , R 7 , T 2 and D 6 ),
- when the ramp voltage at CR is 5.6 V (UD 8 ). This operation is only possible during the preheating time (and in the event of a fault).
(Function: Comparator 3 , D 2 ),
- during the freewheeling phase
(Function: Dg, Rg , Comparator 3 , D 3 ),
- during the blocking phase of the transistor in the optocoupler (from switched state)
(Function: D 5 , R 11 and optocoupler).

Wie erwähnt, ist die Frequenz abhängig von der Netzaugenblicks spannung. Eine Periode besteht aus den Zeiten:
Einschaltzeit, Freilaufzeit und Stromzeit durch die Energierück lieferdiode DF.As mentioned, the frequency depends on the instantaneous voltage. A period consists of the times:
Switch-on time, free-running time and current time through the energy return diode DF .

Die Einschaltzeit variiert zwischen 6 µs und 45 µs. Die Freilauf zeit ist konstant 12 µs lang. Die Stromflußzeit durch DF ist wäh rend der Vorheizzeit fast genauso lang wie die Einschaltzeit. Während dieser Zeit wird abzüglich der Heizenergie die gesamte gespeicherte Energie - nachdem sie an CF wieder in die Speicher induktivität übergegangen ist - über DF in CL zurückgeliefert. Im Normalbetrieb ist nur ein kleiner Rest von Energie übrig (Bil der 2g und 2g), da fast die gesamte Energie dem Magnetron abgege ben wird. Die Stromflußzeit von DF ist nur ca. 3 µs. Die Gesamt periodenzeit des Normalbetriebes (TE+ TF+ TDF) schwankt zwi schen 20 µs und 59 µs. Das entspricht einer Frequenzvariation von 50 kHz bis 17 kHz im Normalbetrieb. Im Vorheizbetrieb liegt sie zwischen ca. 12 kHz und 38 kHz.The switch-on time varies between 6 µs and 45 µs. The freewheeling time is constantly 12 µs long. The current flow time through DF is almost as long as the switch-on time during the preheating time. During this time, minus the heating energy, the entire stored energy - after it has been transferred back to the storage inductance at CF - is returned via DF in CL . In normal operation, only a small remnant of energy is left ( images 2g and 2g), since almost all of the energy is given to the magnetron. The current flow time of DF is only approx. 3 µs. The total period of normal operation (TE + TF + TDF) fluctuates between 20 µs and 59 µs. This corresponds to a frequency variation of 50 kHz to 17 kHz in normal operation. In preheating mode it is between approx. 12 kHz and 38 kHz.

The power supply of the magnetron

Die Spannung an der lose gekoppelten Hochspannungswicklung be trägt ohne Last konstant 8 kVss.The voltage on the loosely coupled high voltage winding carries a constant 8 kVss without load.

In Abhängigkeit der Transistorleitzeit (T 1) ist der positive An teil dieser Spannung unterschiedlich. Die Klemmschaltung (CM 1 und DK 1) legt diesen Anteil an Masse, so daß negativ gerichtete Pulsspannungen konstanter Amplitude entstehen (-8 kVss).Depending on the transistor conductance (T 1 ), the positive part of this voltage is different. The clamping circuit (CM 1 and DK 1 ) places this portion of mass, so that negative directional pulse voltages of constant amplitude arise (-8 kVss).

Wegen seiner Kennlinie (sie entspricht einer 5 kV-Zenerdiode) be grenzt das Magnetron nach der Anheizzeit die Spannung auf -4 kVss. Die konstante EMK erlaubt eine Dimensionierung der Streuindukti vität, die den Anodenstrom auf seinen maximal zulässigen Wert begrenzt. Hierdurch wird ein Optimum an Wirkungsgrad erzielt.Because of its characteristic (it corresponds to a 5 kV zener diode) be the magnetron limits the voltage to -4 kVss after the heating time. The constant EMF allows the leakage inductances to be dimensioned vity that the anode current to its maximum allowable value limited. This achieves an optimum in efficiency.

Leistungssteuerungen können durch Änderungen der Pausenzeiten er reicht werden. Der gute Wirkungsgrad bleibt dadurch unbeeinflußt.Performance controls can be changed by changing the break times be enough. The good efficiency remains unaffected.

Claims

1. Switching power supply for operating a magnetron, which works in the current-mode flow and flyback converter operation, which has a fixed free-running time through a resonance circuit, the energy not removed during the flow time being stored back into the charging capacitor, characterized in that the Power supply within the largest part (≧ 80% even with undervoltage) of a network period and that the charging current of the storage inductance is not kept constant, but is modulated inversely proportional to the instantaneous network voltage in order to compensate for the directly proportional charging current caused by the instantaneous network voltage during the free-running time .

2. Switching power supply according to claim 1, characterized in that the charging current the storage inductance is inversely proportional to the effective grid voltage voltage is controlled within the network control range such that the compensate for different packet widths with different mains voltages is settled.