利用全桥逆变电路实现野外用微波炉

 

　　微波炉（microwave oven/microwave），顾名思义，就是用微波来煮饭烧菜的。微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具。微波是一种电磁波。微波炉由电源，磁控管，控制电路和烹调腔等部分组成。电源向磁控管提供大约4000伏高压，磁控管在电源激励下，连续产生微波，再经过波导系统，耦合到烹调腔内。在烹调腔的进口处附近，有一个可旋转的搅拌器，因为搅拌器是风扇状的金属，旋转起来以后对微波具有各个方向的反射，所以能够把微波能量均匀地分布在烹调腔内。微波炉的功率范围一般为500~1000瓦。从而加热食物。本文给出了一种采用直流电源供电的野外微波炉一体化设计方案，可以解决野外工作者和户外游玩者的饮食加热问题。

　　1 野外微波炉整体设计

　　图1是野外用微波炉的原理框图。其中，一体化定时火力选择电机、风扇电机、转盘电机；照明灯采用DC 24 V供电。正常工作时，通过移相控制电路、驱动电路和全桥逆变电路，将DC 24 V逆变为高频方波电压，再通过高频变压器升压获得2 000 V的高频电压，经过倍压整流得到4 000 V的负向直流电压接到磁控管阴极。另外，为提高系统稳定性，将磁控管的阴极电压引回到移相控制电路中形成闭环控制，使磁控管阴极电压稳定在3 800～4 200 V范围内。电路中，采用UCC3895来控制相位，利用功率MOS管的输出电容和变压器的漏电感作为谐振元件，从而实现功率器件开关状态的零电压切换。同时UCC3895还具有过流欠压保护等功能。与传统由直流电源逆变为220V供电的微波炉比较，具有变压器体积小，重量轻，整机成本低的特点，尤其转换效率得到了较大提高。

　　

　　在图1中，S1为门联锁开关；S2为门第二联锁开关；S3为门监控开关；S4为定时器开关；S5为火力选择开关；S6为磁控管自复位热断路器；M1为一体化定时器火力选择样机；M2为风扇电机；M3为转盘电机；T为高频升压变压器；MAG为磁控管。

　　2 逆变电路的设计

　　逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。逆变电路是通用变频器部件之一，起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。将直流电能变换为交流电能的变换电路。可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。生产中常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网（中国采用线电压方均根值为380V,频率为50Hz供电制）。由公共电网向交流负载供电是普通的供电方式。但随着生产的发展，相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些要求，历史上曾经有过电动机-发电机组和离子器件逆变电路。但由于它们的技术经济指标均不如用电力电子器件（如晶闸管等）组成的逆变电路，因而已经或正在被后者所取代。

　　2．1 移相控制电路的设计

　　本文采用UCC3895作为移相控制芯片，电路如图2所示。UCC3895是UCC3875的改进型，除具有UCC3875功能外，还增加了自适应死区设置，既可工作于电压模式，也可工作于电流模式，具有完善的过流、过压、欠压保护和软启动模式，性能优越。其中，利用电流互感器，将磁控管电流信号经引脚CS，引脚ADS与引脚RAMP分别输至电流检测及过电流比较器，自适应延时设定放大器和PWM比较器。磁控管经电阻分压，TL-431和光电耦合器等馈送至SS／DISB，从而实现电压反馈控制功能。

　　

　　其中，振荡频率和同一桥臂的延时时间可由下式确定：

　　2．2 驱动电路的设计

　　驱动电路采用光耦隔离器6N137和集成驱动芯片IXDD414，如图3所示。6N137为高速光电耦合器，由其真值表（如表1所示）可知，其输入与输出为反向，但当输入为低电平时，输出为集电极开路的高电平，所以这里使用上拉电阻调整电路。IXDD414是一种高速大电流驱动器，可以在栅极电压上升和下降的短暂时间内产生或吸收14 A的峰值电流。该驱动芯片的输入兼容COMS和TTL，同时可利用使能端EN进行短路检测，在EN输入为逻辑低电平时，封锁芯片输出为高阻态，实现MOSFET或IGBT的软关断，以防止开关器件因过压而损坏。

　　

　　

　　2．3 全桥逆变主回路的设计

　　本文采用全桥逆变电路，如图4所示。与半桥逆变相比，全桥逆变具有结构简单，电压利用率与可输出功率高的特点。另外，在一般情况下，反向电压不会超过电源电压Vs，4个再生二极管能消除一部分由漏感产生的瞬间电压。开关管采用MOSFET，是因为其具有导通压降小，开关速度快，输出功率大等特点。采用RC缓冲器可以在开关管关断时减小集电极电压应力，以防止开关管因反压过大而烧坏。

　　

　　选用RFP50N05L，TO-220AB封装作为开关管进行计算。以开关管导通电阻Rds（on）=0．027 Ω，高频变压器效率η=0．9，输入电压Ui=24 V，磁控管功率Po=920 W，占空比D=0．5为例，得Ii=43．6 A，Vds（on）=43．6×0．027=1．17 V，Pds=1．17×43．6×2×0．5=51．3 W。

　　3 高频变压器设计

　　高频变压器是作为开关电源主要的组成部分。开关电源中的拓扑结构有很多。比如半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生100kHz的高频脉冲波，然后通过高频变压器进行变压，输出交流电，高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少。典型的半桥式变压电路中为显眼的是三只高频变压器：主变压器、驱动变压器和辅助变压器（待机变压器），每种变压器在国家规定中都有各自的衡量标准，比如主变压器，只要是200W以上的电源，其磁芯直径（高度）就不得小于35mm.而辅助变压器，在电源功率不超过300W时其磁芯直径达到16mm就够了。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

　　选择开关频率为50 kHz，输入电压为22～26 V，额定输入电压Ui=24 V，输出电压Uo=2 000 V，输出电流Io=300 mA，变压器允许温升为20℃，效率为80％。

　　（1）P1=Po／η=920／0．9=1 022 W。

　　由PQ磁芯资料选定A16铁氧体材料EE55／55／21铁芯，其Ae=354 mm2。

　　（2）因使用EE55／55／21的铁芯，由参考图可知，其生产厂家推荐的磁感应强度峰值Bm在50 kHz时为90 mT，磁感应密度增量△B=180mT= 0．18 T。

　　（3）在占空比为0．5时：

　　Ton（max）=0．51／50 000=10μs

　　原边匝数：

　　Np=Vb×Ton／（△B×Ae）=24×10／（0．18×354）=4匝

　　（4）

　　其中：50 V为整流时，绕组的等压降。

　　每匝的伏数=24／4=6 V

　　副边匝数Ns=2 050／6=342匝

　　若忽略开关损耗等，理论计算微波部分的总效率为：

　　

　　4 测试方法与测试数据

　　采用FLUKE 15 B万用表三个，其中两块万用表接在磁控管的工作电路中。分别测量磁控管的阴极电压、电流；另一块接在高频变压器初级绕组上，用以测量初级电流。

　　测试条件是直流电压Ui=24 V，测得变压器初级电流Ii=55 A，磁控管阴极电压Uo=4 kV，磁控管电流Io=280 mA，则全桥逆变转换率：

　　

　　5 结语

　　给出了一种新型直流供电的微波炉设计方案。采用全桥逆变与高频升压，有效地减小了微波炉的体积和重量，与采用逆变器加微波炉的工作方式相比，较大程度地提高了能源的利用率，更加符合野外微波炉的使用环境与特点。另外，通过合理配置变压器参数，可以进一步提高变压器的效率，防止出现偏磁饱和等现象。通过调整控制回路的参数，可以进一步稳定输出电压，保证微波功率在合理范围内。