JP2007018841A - Magnetron filament power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子レンジ及び工業用、医療用などに用いられるマグネトロンフィラメント電源装置に関するものである。 The present invention relates to a microwave oven and a magnetron filament power supply device used for industrial use, medical use and the like.
スイッチング電源を用いたマグネトロンフィラメント電源装置としては、小型、軽量化を図るため、図3に示すように、第1のトランス1の一次巻線1a及び共振コンデンサ2とで形成される直列共振回路と、フリーホイリングダイオード3と、トランジスタ4と出力制御回路5とで商用電源6を第1の高周波電圧に変換するための第1のインバータ装置を構成し、共振コンデンサC1と第2のトランス7の一次巻線7aとで形成された並列共振回路と、トランジスタQ1と、フリーホイリングダイオードD1と、電力制御回路8とで第2のインバータ装置を構成し、この第2のインバータ装置により変換された第2の高周波電圧を第2のトランス7を用いて変圧し、この変圧した所定のヒータ電圧をマグネトロン9のフィラメントFへ供給するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
As a magnetron filament power supply device using a switching power supply, in order to reduce the size and weight, a series resonant circuit formed by a primary winding 1a of a first transformer 1 and a resonant capacitor 2 as shown in FIG. The
しかし、この構成では、マグネトロンフィラメントに高周波電流を流すことになるため、インバータ電源専用マグネトロンを採用しなければならなかった。 However, in this configuration, since a high-frequency current is passed through the magnetron filament, a magnetron dedicated to the inverter power supply must be employed.
それは、マグネトロンに内蔵される貫通コンデンサの端子及び内部導電部分の材料が安価な鉄材を使用しているため、ここでの高周波駆動時のロスと発熱が大きくなり、コンデンサの耐熱定格を越えてしまうからである。よって貫通コンデンサは著しく寿命が短くショート等の故障が多発した。そこで、貫通コンデンサの端子及び内部導電部分の材料をインバータ電源専用に鉄材から真鍮に変更し、高周波によるロスと発熱を防ぐことが行われている。 This is because the feedthrough capacitor terminal and internal conductive part material used in the magnetron are made of inexpensive iron materials, so the loss and heat generation during high frequency driving here will increase and exceed the heat resistance rating of the capacitor. Because. Therefore, the feedthrough capacitor has a very short life and frequently suffers from short-circuit failures. Therefore, the material of the terminal of the feedthrough capacitor and the internal conductive part is changed from iron to brass exclusively for the inverter power supply to prevent loss and heat generation due to high frequency.
また、マグネトロンフィルターケース内のチョークコイルも、50/60Hzの電源周波数では問題にならなかったインダクタンスが、インバータ電源の高周波では大きなインピーダンスとなりフィラメント電流があまり流れず、マグネトロンが適正カソード温度にならない。そこで、インバータ電源専用のインダクタンスの少ないチョークコイルを採用せざるを得なくなった。仮にマグネトロンチョークコイルLが1.5μHでスイッチング周波数fが40kHz、フィラメント電流Ifが10Aとすると、チョークコイルに発生する電圧降下はIf×2πfL=3.77Vとなり、マグネトロンチョークコイルは2個を対で用いるため、電圧降下は7.54Vにもなってしまう。50/60Hzの電源周波数による駆動時にVf=3.3V、If=10Aの定格に比べ、インバータ電源による高周波動作では、上記のように電圧降下が大きいため、高周波動作でのフィラメント印加電圧は10V前後の電圧を印加しなければならない。 Further, the choke coil in the magnetron filter case also has an inductance that was not a problem at a power frequency of 50/60 Hz, but has a large impedance at a high frequency of the inverter power source, so that the filament current does not flow so much that the magnetron does not reach an appropriate cathode temperature. Therefore, a choke coil with a small inductance dedicated to the inverter power supply has to be adopted. If the magnetron choke coil L is 1.5 μH, the switching frequency f is 40 kHz, and the filament current If is 10 A, the voltage drop generated in the choke coil is If × 2πfL = 3.77 V, and two magnetron choke coils are paired. Since it is used, the voltage drop becomes 7.54V. Compared with the ratings of Vf = 3.3V and If = 10A when driving at a power frequency of 50/60 Hz, the voltage applied to the filament in the high frequency operation is around 10V because the voltage drop is large in the high frequency operation with the inverter power supply as described above. Must be applied.
そこで、インバータ電源専用のマグネトロンではなく、従来の汎用マグネトロンが同じ条件で使用できるように、改良されたマグネトロンフィラメント電源装置としては、フィラメントトランスの二次側に高周波スイッチング電流の整流手段を備え、電源電圧が変動した場合に安定したフィラメント電圧を供給できるようにしたものが知られている。この場合、フィラメントトランスの二次側に整流回路を設け、マグネトロンカソードに高周波電流を流さず商用周波数に近い電流を流すようにしている。この構成により、従来の汎用マグネトロンが使用できると共に、従来のマグネトロンフィラメント電圧Vfによって、適正なカソード温度が規定できるようになった(例えば、特許文献2参照)。
しかし、マグネトロンフィラメント電源装置は、電子レンジ用で3.3V、10A、工業用大出力マグネトロンに至っては、プリヒート時に4Vから5Vで、20Aから30A、動作時には、カットバックと呼ばれる動作を行なうため、前記電圧電流値から最小2.2V、20Aの範囲で可変しなければならない。 However, the magnetron filament power supply device is 3.3V, 10A for microwave ovens, and from 4V to 5V during preheating, 20A to 30A for industrial high-power magnetrons, and is called cutback during operation. The voltage / current value must be variable within a range of minimum 2.2V and 20A.
このようにマグネトロンフィラメント電源装置は、大電流を必要とし、フィラメント電源投入時の突入電流に至っては、この数倍の電流が流れるため、設計仕様として余裕を持たせなければならない。 As described above, the magnetron filament power supply device requires a large current, and several times as much current flows as the inrush current when the filament power supply is turned on.
このようなマグネトロンフィラメント電源装置において、低圧大電流整流回路を形成するには、整流回路の大型化を行なわなければならない。大電流回路については最近の高性能CPU電源等に目覚しい技術があるものの、これらの同期整流方式を用るには問題が多い。それは整流側である二次側回路が、対地間電圧4000V以上あるフローティング部分だからである。 In such a magnetron filament power supply device, in order to form a low-voltage large-current rectifier circuit, the rectifier circuit must be enlarged. Although there are remarkable technologies in recent high-performance CPU power supplies and the like for large current circuits, there are many problems in using these synchronous rectification methods. This is because the secondary circuit on the rectifying side is a floating portion having a voltage to ground of 4000 V or more.
そこで、簡便なショットキーバリアダイオードを用いた場合、順方向損失やリカバリー損失などが発生するため、大きな放熱器にダイオードを装着しなければならない。 Therefore, when a simple Schottky barrier diode is used, a forward loss, a recovery loss, and the like are generated. Therefore, the diode must be mounted on a large heat sink.
しかし、ダイオードや放熱器は、対地間電圧が4000V以上あるので、絶縁を確保しながら整流素子の放熱も行なわなければならないため、回路構成としては、16mm以上の絶縁距離確保と、大電流や放熱への対策のために、大掛かりな構造となってしまい、電源の大型化とコストアップという問題があった。 However, since diodes and radiators have a voltage to ground of 4000 V or more, the rectifying element must also dissipate heat while ensuring insulation. Therefore, the circuit configuration is to ensure an insulation distance of 16 mm or more, large current and heat dissipation. As a countermeasure, there is a problem that the structure becomes large and the power supply is enlarged and the cost is increased.
これらの問題点に鑑み、本発明は、簡単な構成と低損失、小型で安価なマグネトロンフィラメント電源装置を提供することを目的とする。 In view of these problems, an object of the present invention is to provide a magnetron filament power supply device having a simple configuration, low loss, small size, and low cost.
前記従来の課題を解決するために、本発明のマグネトロンフィラメント電源装置は、商用電源とノイズフィルターと双方向スイッチング素子群がフィラメントトランスの一次側に接続され、前記フィラメントトランスの二次側にローパスフィルターを介してマグネトロンのフィラメントに接続された構成を有する。 In order to solve the above-described conventional problems, a magnetron filament power supply apparatus according to the present invention includes a commercial power supply, a noise filter, and a bidirectional switching element group connected to a primary side of a filament transformer, and a low-pass filter on the secondary side of the filament transformer. It has the structure connected to the filament of the magnetron via.
かかる構成によれば、マグネトロンフィラメントを商用電源と同じ波形で動作させることができると共に、フィラメントトランスの二次側に大電流整流回路を必要としないため、小型にすることができる。 According to this configuration, the magnetron filament can be operated with the same waveform as that of the commercial power supply, and a large current rectifier circuit is not required on the secondary side of the filament transformer, so that the size can be reduced.
また、双方向スイッチング素子群は、2つの単方向スイッチング素子が互いに反対極性方向で直列に接続され、2つのダイオードが前記単方向スイッチング素子と並列かつ互いのダイオードの通電方向と反対極性方向に接続された構成、または、4つのダイオードをブリッジ接続したダイオードブリッジの正極に単方向スイッチング素子のコレクター又はドレインが接続され、前記ダイオードブリッジの負極に前記単方向スイッチング素子のエミッタ又はソースが接続された構成が好ましい。 In the bidirectional switching element group, two unidirectional switching elements are connected in series in opposite polar directions, and two diodes are connected in parallel to the unidirectional switching element and in the opposite polarity direction to the current-carrying direction of the diodes. Or a configuration in which a collector or drain of a unidirectional switching element is connected to a positive electrode of a diode bridge in which four diodes are bridge-connected, and an emitter or a source of the unidirectional switching element is connected to a negative electrode of the diode bridge Is preferred.
また、フィラメントトランスの二次側に設けられたローパスフィルターは、並列に接続された複数のコンデンサと前記複数のコンデンサに直列に接続されたチョークコイルとで構成されている。 The low-pass filter provided on the secondary side of the filament transformer includes a plurality of capacitors connected in parallel and a choke coil connected in series to the plurality of capacitors.
かかる構成によれば、フィラメントトランスの二次側において、高周波成分を除去し商用周波数の低周波成分だけを抽出することができる。 According to such a configuration, on the secondary side of the filament transformer, it is possible to remove the high frequency component and extract only the low frequency component of the commercial frequency.
以上のように本発明のマグネトロンフィラメント電源装置は、フィラメントトランスの一次側に双方向スイッチング素子を備え、フィラメントトランスの二次側にローパスフィルターを設けることにより、電源力率の低下やライン高調波を悪化させることは無く、また二次側の整流回路による損失や放熱、絶縁確保の問題も無く、インバータ電源専用マグネトロンを用いずに従来の汎用マグネトロンを使用することができ、簡単な構成と小型で低損失、ローコストのマグネトロンフィラメント電源装置を提供することができる。 As described above, the magnetron filament power supply device of the present invention includes a bidirectional switching element on the primary side of the filament transformer, and a low-pass filter on the secondary side of the filament transformer, thereby reducing power source power factor and line harmonics. There is no deterioration, there is no problem of loss, heat dissipation and insulation due to the secondary side rectifier circuit, and the conventional general-purpose magnetron can be used without using a dedicated magnetron for the inverter power supply. A low-loss, low-cost magnetron filament power supply device can be provided.
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるマグネトロンフィラメント電源装置の回路図である。図1において、図3に示される従来の図と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetron filament power supply apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the same components as those in the conventional diagram shown in FIG.
図1において、フィラメントトランスT1の一次側は、商用電源6と、ノイズ防止用のコンデンサC2、電源への高周波電流流出防止用のチョークコイルL1、高周波スイッチング用電流供給源に見立てられるコンデンサC3、及び双方向スイッチング素子群10と接続されている。コンデンサC3の一端は、フィラメントトランスT1の一次側に接続され、他端が双方向スイッチング素子群10に接続されている。双方向スイッチング素子群10は、単方向スイッチング素子Q2,Q3が反対極性方向で直列に接続され、ダイオードD2,D3が単方向スイッチング素子Q2,Q3と並列かつ通電方向と反対極性方向に接続されて構成されている。
In FIG. 1, the primary side of the filament transformer T1 includes a commercial power source 6, a capacitor C2 for preventing noise, a choke coil L1 for preventing outflow of high-frequency current to the power source, a capacitor C3 regarded as a high-frequency switching current supply source, and The bidirectional
フィラメントトランスT1の二次側はチョークコイルL2とコンデンサC4,C5,C6により構成されるローパスフィルター11を介してマグネトロン9のフィラメントFに接続されている。
The secondary side of the filament transformer T1 is connected to the filament F of the magnetron 9 through a low-
マグネトロン9のフィラメントFの一端は、マグネトロン駆動用の高圧電源Ebに接続され、電子レンジ用の300mAから工業用の900mA、対地間電圧が4000V〜5000Vの電源を供給されている。 One end of the filament F of the magnetron 9 is connected to a high voltage power source Eb for driving the magnetron, and a power source of 300 mA for industrial use to 900 mA for industrial use and a voltage to ground of 4000 V to 5000 V is supplied.
以上のように構成されたマグネトロンフィラメント電源装置について、次にその動作を説明する。 Next, the operation of the magnetron filament power supply device configured as described above will be described.
まず、商用電源6はコンデンサC2とチョークコイルL1とで構成されたノイズフィルターを通り、通常のスイッチング電源とは異なる交流電圧でコンデンサC3を充電する。コンデンサC3の電圧がフィラメントトランスT1の一次側に印加され、双方向スイッチング素子群10によって次に記載するような高周波スイッチングが行なわれる。
First, the commercial power source 6 passes through a noise filter composed of a capacitor C2 and a choke coil L1, and charges the capacitor C3 with an AC voltage different from that of a normal switching power source. The voltage of the capacitor C3 is applied to the primary side of the filament transformer T1, and the bidirectional
電源電圧が正方向の場合は、C3→T1→D2→Q3の方向に電流が流れ、電源電圧が負方向の場合は、C3→D3→Q2→T1の方向に電流が流れる。このようなスイッチング動作によりフィラメントトランスT1の一次側には、スイッチング周波数を商用電源で変調したような電流が、C3,T1,Q2,Q3,D2,D3と連続して流れる。 When the power supply voltage is in the positive direction, current flows in the direction of C3 → T1 → D2 → Q3, and when the power supply voltage is in the negative direction, current flows in the direction of C3 → D3 → Q2 → T1. As a result of such a switching operation, a current as if the switching frequency was modulated by the commercial power supply flows continuously to the primary side of the filament transformer T1 in the order of C3, T1, Q2, Q3, D2, and D3.
他方、フィラメントトランスT1の二次側では、フィラメントトランスT1の巻数比N2/N1の電圧が現れる。この電圧は、一次側と同様のスイッチング周波数を商用電源で変調したような波形のため、高周波成分を非常に多く含んでいる。 On the other hand, a voltage having a winding ratio N2 / N1 of the filament transformer T1 appears on the secondary side of the filament transformer T1. Since this voltage has a waveform in which the same switching frequency as that on the primary side is modulated by a commercial power supply, it contains a large amount of high frequency components.
そこで、高周波成分を除去し商用周波数の低周波成分だけを抽出するために、チョークコイルL2、コンデンサC4,C5,C6で構成されるローパスフィルター11が設けられている。このローパスフィルター11によって、マグネトロン9のフィラメントFには商用周波数成分のみが供給される。ここで、フィラメント電流は、電子レンジ用においては3.3Vで10A、工業用大出力マグネトロンに至っては、プリヒート時に4V〜5Vで20A〜30Aの大電流を流しているため、ローパスフィルター11のコンデンサに流れる電流が定格値を超えないように、コンデンサを多数並列に使用し高周波電流を分散させている。
Therefore, in order to remove the high frequency component and extract only the low frequency component of the commercial frequency, a
以上のように本実施の形態によれば、フィラメントトランスT1と双方向スイッチング素子群10によるスイッチング動作と、フィラメントトランスT1の二次側にローパスフィルター11を設けることにより、フィラメントトランスT1の一次側に整流回路を設ける必要がなくなると共に、フィラメントトランスT1の二次側に大電流整流回路を設ける必要が無いため、低圧大電流整流素子による発熱や損失の要素が無く大型放熱器を設ける必要も無い。また、回路素子もチョークコイルとコンデンサだけのため、至って簡単な構成である。そのため、対地間電圧4000Vが印加されていることによる16mm以上の絶縁距離の確保が容易に行なえ、低圧大電流整流素子放熱器の絶縁確保に苦慮する必要も無い。さらに、フィラメントトランスの一次側に平滑回路や位相制御回路が無いため、電源力率の低下やライン高調波を悪化させることも無い。
As described above, according to the present embodiment, the switching operation by the filament transformer T1 and the bidirectional
したがって、本発明によれば、簡単な構成と小型で低損失、ローコストのマグネトロンフィラメント電源装置を提供することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a magnetron filament power supply device having a simple configuration, a small size, a low loss, and a low cost.
なお、上記した本実施の形態において、L1,L2にチョークコイルを用いたが、コモンチョークコイルを用いてもよい。また、フィラメントトランスT1には、フェライトコアのものや、周波数特性の良いカットコアやEIコアのものを用いることができる。単方向スイッチング素子Q2,Q3には、MOSFETやIGBTまたはトランジスタを用いることができる。 In the above-described embodiment, choke coils are used for L1 and L2, but common choke coils may be used. Further, as the filament transformer T1, a ferrite core, a cut core or an EI core with good frequency characteristics can be used. MOSFETs, IGBTs, or transistors can be used for the unidirectional switching elements Q2, Q3.
(実施の形態2)
図2は本発明の実施の形態2におけるマグネトロンフィラメント電源装置の回路図である。図2において、図1に示される実施の形態1と異なる点は、フィラメントトランスT1の一次側に接続される双方向スイッチング素子群10の構成であり、他の構成については共通なため、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a circuit diagram of a magnetron filament power supply apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. 2 differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in the configuration of the bidirectional
図2に示されるように、フィラメントトランスT1の一次側は、商用電源6と、ノイズ防止用のコンデンサC2、電源への高周波電流流出防止用のチョークコイルL1、高周波スイッチング用電流供給源に見立てられるコンデンサC3、及び双方向スイッチング素子群10と接続されている。コンデンサC3の一端は、フィラメントトランスT1の一次側に接続され、他端が双方向スイッチング素子群10に接続されている。双方向スイッチング素子群10は、4つのダイオードD4,D5,D6,D7をブリッジ接続したダイオードブリッジDB(以下、単にDBと記載する)の正極に単方向スイッチング素子Q4のコレクター又はドレインが接続され、前記DBの負極に前記単方向スイッチング素子のエミッタ又はソースが接続されて構成されている。
As shown in FIG. 2, the primary side of the filament transformer T1 is regarded as a commercial power source 6, a noise preventing capacitor C2, a choke coil L1 for preventing high-frequency current from flowing to the power source, and a high-frequency switching current supply source. The capacitor C3 and the bidirectional
このように構成されたフィラメントトランスT1の一次側において、商用電源6はコンデンサC2とチョークコイルL1とで構成されたノイズフィルターを通り、通常のスイッチング電源と異なり交流電圧でコンデンサC3を充電する。コンデンサC3の電圧がフィラメントトランスT1の一次側に印加され、双方向スイッチング素子群10によって次に記載するような高周波スイッチング動作が行なわれる。
On the primary side of the filament transformer T1 configured as described above, the commercial power source 6 passes through a noise filter composed of the capacitor C2 and the choke coil L1, and charges the capacitor C3 with an AC voltage unlike an ordinary switching power source. The voltage of the capacitor C3 is applied to the primary side of the filament transformer T1, and the bidirectional
電源電圧が正方向の場合は、C3→T1→DB(D4)→Q4→DB(D7)の方向に電流が流れ、電源電圧が負方向の場合は、C3→DB(D6)→Q4→DB(D5)→T1の方向に電流が流れる。このようなスイッチング動作によりフィラメントトランスT1の一次側には、スイッチング周波数を商用電源で変調したような電流が、C3,T1,DB,Q4と連続して流れる。 When the power supply voltage is positive, current flows in the direction of C3 → T1 → DB (D4) → Q4 → DB (D7), and when the power supply voltage is negative, C3 → DB (D6) → Q4 → DB. (D5) → Current flows in the direction of T1. By such a switching operation, a current as if the switching frequency was modulated by a commercial power supply flows continuously to the primary side of the filament transformer T1 in the order of C3, T1, DB, and Q4.
フィラメントトランスT1の二次側は、実施の形態1で説明したものと同様の構成を有し、同様の動作を行う。 The secondary side of the filament transformer T1 has the same configuration as that described in the first embodiment and performs the same operation.
実施の形態1においては、単方向スイッチング素子を2個直列に用いていたので、ハイサイド側ゲートがフローティング動作のためドライブ回路が複雑になっていたが、実施の形態2では、単方向スイッチング素子が1個のためゲート駆動回路が簡単になっている。 In the first embodiment, since two unidirectional switching elements are used in series, the drive circuit is complicated due to the floating operation of the high-side gate. However, in the second embodiment, the unidirectional switching element is used. Since there is one, the gate drive circuit is simple.
なお、上記各実施の形態において、基本回路部分だけを説明し、制御回路部分の記載を行なわなかったが、以下の構成が容易に考えられる。フィードバック要素として、電源電圧や電流そして電力、二次側のフィラメント電流をセンシングしてスイッチング素子のゲートPWM信号を可変することにより、マグネトロンフィラメント電源装置が構成されることは、言うまでも無い。 In each of the above embodiments, only the basic circuit portion has been described and the control circuit portion has not been described. However, the following configuration can be easily considered. Needless to say, the magnetron filament power supply device is configured by sensing the power supply voltage, current and power, and the secondary side filament current as feedback elements to vary the gate PWM signal of the switching element.
電子レンジや工業用、医療用などに用いられるマイクロ波応用機器のマグネトロンを駆動するためのマグネトロンフィラメント電源装置として有用である。 It is useful as a magnetron filament power supply device for driving a magnetron of a microwave application device used for a microwave oven, industrial use, medical use and the like.
6 商用電源
9 マグネトロン
10 双方向スイッチング素子群
11 ローパスフィルター
C2,C3,C4,C5,C6 コンデンサ
DB ダイオードブリッジ
D2,D3,D4,D5,D6,D7 ダイオード
Eb 高圧電源
F フィラメント
L1,L2 チョークコイル
Q2,Q3,Q4 単方向スイッチング素子
T1 フィラメントトランス
6 Commercial Power Supply 9
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KR101533632B1 (en) * | 2013-11-07 | 2015-07-06 | 한국전기연구원 | Power supply unit for magnetron including noise reduction circuit |
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2005
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