一種帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置的制作方法

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于電學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有源鉗位電路的微波爐磁控管電源裝置，特別是一種帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置。

背景技術(shù)：
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目前，家用變頻微波爐磁控管電源電路一般采用llc諧振半橋逆變電路拓撲或lc諧振單管雙極性逆變電路拓撲，前者存在著電路結(jié)構(gòu)相對復雜，電源成本相對較高，橋臂上下開關(guān)管容易造成直通而燒壞等問題；后者雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、可實現(xiàn)零電壓開通和零電壓關(guān)斷控制等優(yōu)點，但也存在著一些缺點，當微波爐輸入電壓為220vac/50hz交流電時，微波爐在運行過程中開關(guān)管承受耐壓高達1200v以上，致使開關(guān)管只能選用耐壓較高的絕緣柵場效應晶體管(igbt)，而為了線性調(diào)整磁控管的輸出功率，需要igbt單管的開關(guān)頻率從20khz到40khz之間做變頻調(diào)制，而當igbt的開關(guān)頻率大于25khz以后，其損耗會隨著開關(guān)頻率的增加而增大，從而制約了開關(guān)頻率的進一步提高，不能使電源裝置的體積和成本進一步降低，不利于這種新型微波爐磁控管供電電源的推廣應用。因此，設(shè)計一種新型的帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置很有應用開發(fā)價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，在變頻微波爐磁控管電源用lc諧振單管雙極性逆變電路拓撲中增加一條上拉有源鉗位支路，該支路中包含一個輔助開關(guān)管，主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的開關(guān)頻率相同，均可實現(xiàn)軟開關(guān)控制，且兩管之間無直通問題，提高可靠性；而且在保持原有電路優(yōu)點的情況下，使開關(guān)管耐壓降低到原來的2/3，能夠采用金屬氧化物晶體管(mosfet)作為開關(guān)管，開關(guān)頻率可達100khz以上，同時因輔助開關(guān)管導通時間短、功耗低，為減小電源的體積和重量、降低電源成本提供了技術(shù)方案。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置的主體結(jié)構(gòu)包括整流橋、l1c1濾波電路、采樣電路、上拉有源鉗位支路、諧振電容、主開關(guān)管、第一二極管、高頻變壓器、高頻倍壓整流電路、放電電阻、磁控管和控制電路，第一二極管為主開關(guān)管的反并聯(lián)二極管，單相工頻交流電依次經(jīng)過整流橋、l1c1濾波電路后轉(zhuǎn)換成直流電，主開關(guān)管、第一二極管和上拉有源鉗位支路將直流電逆變成高頻交流電，此高頻交流電施加在高頻變壓器的原邊繞組兩端，經(jīng)變壓器升壓后，高頻變壓器的副邊繞組兩端產(chǎn)生高頻高壓交流電，此高頻高壓交流電經(jīng)高頻倍壓整流電路后為磁控管供電；高頻變壓器副邊的燈絲繞組產(chǎn)生的交流電直接為磁控管燈絲供電；整流橋?qū)蜗喙ゎl交流電進行整流，l1c1濾波電路由濾波電感和濾波電容電連接組成，用于工頻濾波；采樣電路由第一采樣電阻、第二采樣電阻和電流互感器電連接組成，采樣電路與控制電路的輸入電壓電流檢測電路一起用于檢測輸入電壓電流；上拉有源鉗位支路由鉗位電容、輔助開關(guān)管和第二二極管按照電學原理電連接構(gòu)成，第二二極管為輔助開關(guān)管的反并聯(lián)二極管，輔助開關(guān)管源極與主開關(guān)管漏極相連，鉗位電容一端與輔助開關(guān)管漏極相連，另一端與濾波電容的正極相連；當電源裝置接入220vac交流電并且控制電路上電，主開關(guān)管關(guān)斷后，主開關(guān)管漏源兩端電壓逐漸升高，當此電壓上升到濾波電容與鉗位電容電壓之和時，主開關(guān)管漏源兩端的電壓被鉗位在濾波電容與鉗位電容兩端，降低主開關(guān)管耐壓；諧振電容與高頻變壓器的原邊繞組并聯(lián)，在主開關(guān)管的開通、關(guān)斷變化下，諧振電容和原邊繞組的電感發(fā)生諧振，實現(xiàn)高頻逆變；高頻變壓器由原邊繞組、副邊繞組、燈絲繞組和帶氣隙磁芯電連接組成，高頻變壓器的原、副邊耦合系數(shù)為0.5-0.95，副邊繞組接入高頻倍壓整流電路，燈絲繞組與磁控管的燈絲相連為磁控管提供交流供電，高頻變壓器將原邊高頻交流電升壓的同時實現(xiàn)電氣隔離；高頻倍壓整流電路由第一高壓整流二極管、第二高壓整流二極管、第一濾波電容和第二濾波電容電連接組成，高頻倍壓整流電路將高頻變壓器的副邊繞組所輸出電壓進行倍壓整流濾波后為磁控管供電；放電電阻為第一濾波電容和第二濾波電容提供放電回路；磁控管用于產(chǎn)生微波；控制電路由輸入電壓電流檢測電路、第一電壓檢測電路、第二電壓檢測電路、微波爐功能菜單或人工設(shè)定信號、單片機、驅(qū)動電路、輔助電源電連接構(gòu)成，輸入電壓電流檢測電路用于檢測輸入電壓、電流，單片機根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行頻率調(diào)整，從而改變輸出電壓，實現(xiàn)恒功率控制；第一電壓檢測電路檢測鉗位電容兩端的電壓，當檢測到鉗位電容兩端的電壓增加時，單片機將輔助開關(guān)管的控制信號變?yōu)楦唠娖剑o助開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通，當鉗位電容兩端的電壓增加時，原邊繞組通過第二二極管為鉗位電容充電，第二二極管導通，輔助開關(guān)管漏源兩端的電壓為零；第二電壓檢測電路檢測主開關(guān)管漏源兩端的電壓；微波爐功能菜單或人工設(shè)定信號為單片機提供微波火力組合及其相應作用時間；驅(qū)動電路在單片機控制下驅(qū)動主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的通斷；輔助電源為單片機和驅(qū)動電路供電。

本發(fā)明實現(xiàn)帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置控制的過程包括以下步驟：

(1)電路上電，先單片機程序初始化，并接收由微波爐功能菜單或人工設(shè)定信號傳來的對應微波火力組合及其相應作用時間；然后判斷是否按下工作鍵，若沒有按下工作鍵則進入待機狀態(tài)并時刻檢測是否按下工作鍵，若按下工作鍵則進入pwm(脈沖寬度調(diào)制)初始化；pwm初始化后，單片機根據(jù)微波火力組合及其相應作用時間設(shè)定各個微波火力所對應的開關(guān)頻率和pwm信號，并首先輸出微波火力組合中第一個微波火力對應的開關(guān)頻率和pwm信號，此時電源裝置開始工作；

(2)電源裝置工作時，通過恒功率控制對輸出功率進行調(diào)節(jié)，先根據(jù)輸出微波火力設(shè)定對應的功率；然后通過輸入電壓電流檢測電路將檢測到的電壓、電流信號發(fā)送給單片機，單片機通過計算輸入電壓、電流的乘積得出輸入功率；最后通過比較輸入功率與設(shè)定功率來調(diào)整電源裝置的開關(guān)頻率，若輸入功率大于設(shè)定功率，則單片機通過增大開關(guān)頻率來減小輸出功率，若輸入功率小于設(shè)定功率，則單片機通過減小開關(guān)頻率來增大輸出功率，實現(xiàn)電源裝置的恒功率控制；同時，電源裝置在工作過程中，通過單片機的控制調(diào)節(jié)使主開關(guān)管和輔助開關(guān)管均實現(xiàn)軟開關(guān)控制，第一電壓檢測電路檢測到鉗位電容兩端的電壓增加時，單片機將輔助開關(guān)管的控制信號變?yōu)楦唠娖?，輔助開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通；在當前主開關(guān)管驅(qū)動信號上升沿到來之前，第二電壓檢測電路檢測主開關(guān)管漏源兩端的電壓值，若主開關(guān)管漏源兩端的電壓不為0，即沒有實現(xiàn)零電壓開通，則單片機減少主開關(guān)管的占空比，若主開關(guān)管漏源兩端的電壓為0，即實現(xiàn)零電壓開通，則主開關(guān)管的占空比不變；

(3)單片機在電源裝置工作過程中時刻判斷對應火力作用時間是否結(jié)束，若沒結(jié)束則繼續(xù)維持當前開關(guān)頻率和pwm信號；若結(jié)束則判斷是否為最后一個微波火力，若不是則微波火力+1，然后輸出下一個微波火力對應的開關(guān)頻率和pwm信號，并重復上述步驟；若是則輸出pwm封鎖信號，封鎖pwm輸出，然后電源裝置停止工作；在程序運行時，時刻檢測是否按下結(jié)束鍵，若沒有則不改變程序的正常運行，若有則直接進入pwm封鎖信號，停止電源裝置工作，完成微波爐磁控管電源裝置的控制。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，電源裝置的高頻變壓器可以實現(xiàn)雙向勵磁，使得電源裝置可以輸出較大的功率；主開關(guān)管和輔助開關(guān)管具有相同的開關(guān)頻率，不存在直通問題，都能實現(xiàn)軟開關(guān)，且輔助開關(guān)管在每個開關(guān)周期只導通一小段時間，導通損耗大大減??；變壓器副邊級聯(lián)的高頻倍壓整流電路使得變壓器副邊繞組輸出的不對稱電壓得到有效利用，使電源裝置的整體效率進一步提高；變壓器原邊并聯(lián)的諧振電容與變壓器原邊繞組的電感進行諧振使得電源裝置輸出/輸入間具有較高的電壓增益，在變壓器匝數(shù)比一定的情況下，能通過脈沖頻率調(diào)制瞬間提高輸出電壓幅值，使變頻微波爐磁控管快速實現(xiàn)啟動；上拉有源鉗位支路的鉗位作用使主開關(guān)管的耐壓降低1/3，使主開關(guān)管和輔助開關(guān)管能采用mosfet作為開關(guān)，其開關(guān)頻率可達100khz以上，進一步減小電源裝置的體積和重量，降低電源裝置的成本；其電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，效率高，能夠通過脈沖寬度調(diào)制+脈沖頻率調(diào)制相結(jié)合的控制方法在大范圍和小范圍精準改變輸出電壓和功率，應用前景廣泛。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明所述帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置的主電路結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2是本發(fā)明實現(xiàn)所述帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置控制的工藝流程框圖。

圖3是本發(fā)明所述帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置的工作波形圖，其中ugs1為主開關(guān)管q1的驅(qū)動電壓，ugs2為輔助開關(guān)管q2的驅(qū)動電壓，uds1為主開關(guān)管q1漏源兩端的電壓，uds2為輔助開關(guān)管q2漏源兩端的電壓，uc3為諧振電容c3兩端的電壓，il2為原邊繞組l2的電流，uc2為鉗位電容c2兩端的電壓。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細地說明。

實施例：

本實施例所述帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置的主體結(jié)構(gòu)包括整流橋1、l1c1濾波電路2、采樣電路3、上拉有源鉗位支路4、諧振電容c3、主開關(guān)管q1、第一二極管vd1、高頻變壓器5、高頻倍壓整流電路6、放電電阻r3、磁控管7和控制電路8，第一二極管vd1為主開關(guān)管q1的反并聯(lián)二極管，單相工頻交流電依次經(jīng)過整流橋1、l1c1濾波電路2后轉(zhuǎn)換成直流電，主開關(guān)管q1、第一二極管vd1和上拉有源鉗位支路4將直流電逆變成高頻交流電，此高頻交流電施加在高頻變壓器5原邊繞組l2兩端，經(jīng)變壓器升壓后，高頻變壓器5副邊繞組l3兩端產(chǎn)生高頻高壓交流電，此高頻高壓交流電經(jīng)高頻倍壓整流電路6后為磁控管7供電；高頻變壓器5副邊的燈絲繞組l4產(chǎn)生的交流電直接為磁控管燈絲供電；整流橋1將單相工頻交流電進行整流，l1c1濾波電路2由濾波電感l(wèi)1和濾波電容c1電連接組成，用于工頻濾波；采樣電路3由第一采樣電阻r1、第二采樣電阻r2和電流互感器ct1電連接組成，采樣電路3與控制電路8的輸入電壓電流檢測電路81一起用于檢測輸入電壓電流；上拉有源鉗位支路4由鉗位電容c2、輔助開關(guān)管q2和第二二極管vd2按照電學原理電連接構(gòu)成，第二二極管vd2為輔助開關(guān)管q2的反并聯(lián)二極管，輔助開關(guān)管q2源極與主開關(guān)管q1漏極相連，鉗位電容c2一端與輔助開關(guān)管q2漏極相連，另一端與濾波電容c1的正極相連；當電源裝置接入220vac交流電并且控制電路上電，主開關(guān)管q1關(guān)斷后，主開關(guān)管q1漏源兩端電壓逐漸升高，當此電壓上升到濾波電容c1與鉗位電容c2電壓之和時，主開關(guān)管q1漏源兩端的電壓被鉗位在濾波電容c1與鉗位電容c2兩端，降低主開關(guān)管q1耐壓；諧振電容c3與高頻變壓器5的原邊繞組l2并聯(lián)，在主開關(guān)管q1的開通、關(guān)斷變化下，諧振電容c3和原邊繞組l2的電感發(fā)生諧振，實現(xiàn)高頻逆變；高頻變壓器5由原邊繞組l2、副邊繞組l3、燈絲繞組l4和帶氣隙磁芯t電連接組成，高頻變壓器5的原、副邊耦合系數(shù)為0.5-0.95，副邊繞組l3接入高頻倍壓整流電路6，燈絲繞組l4與磁控管7的燈絲相連為磁控管7提供交流供電，高頻變壓器5將原邊高頻交流電升壓的同時實現(xiàn)電氣隔離；高頻倍壓整流電路6由第一高壓整流二極管vd3、第二高壓整流二極管vd4、第一濾波電容c4和第二濾波電容c5電連接組成，高頻倍壓整流電路6將高頻變壓器5的副邊繞組l3所輸出電壓進行倍壓整流濾波后為磁控管7供電；放電電阻r3為第一濾波電容c4和第二濾波電容c5提供放電回路；磁控管7用于產(chǎn)生微波；控制電路8由輸入電壓電流檢測電路81、第一電壓檢測電路82、第二電壓檢測電路83、微波爐功能菜單或人工設(shè)定信號84、單片機85、驅(qū)動電路86、輔助電源87電連接構(gòu)成，輸入電壓電流檢測電路81用于檢測輸入電壓、電流，單片機85根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行頻率調(diào)整，從而改變輸出電壓，實現(xiàn)恒功率控制；第一電壓檢測電路82檢測鉗位電容c2兩端的電壓，當檢測到鉗位電容c2兩端的電壓增加時，單片機85將輔助開關(guān)管q2的控制信號變?yōu)楦唠娖?，輔助開關(guān)管q2實現(xiàn)零電壓開通，當鉗位電容c2兩端的電壓增加時，原邊繞組l2通過第二二極管vd2為鉗位電容c2充電，第二二極管vd2導通，輔助開關(guān)管q2漏源兩端的電壓為零；第二電壓檢測電路83檢測主開關(guān)管q1漏源兩端的電壓；微波爐功能菜單或人工設(shè)定信號84為單片機85提供微波火力組合及其相應作用時間；驅(qū)動電路86在單片機85控制下驅(qū)動主開關(guān)管q1和輔助開關(guān)管q2的通斷；輔助電源87為單片機85和驅(qū)動電路86供電。

本實施例實現(xiàn)帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置控制的過程包括以下步驟：

(1)電路上電，先單片機程序初始化，并接收由微波爐功能菜單或人工設(shè)定信號84傳來的對應微波火力組合及其相應作用時間；然后判斷是否按下工作鍵，若沒有按下工作鍵則進入待機狀態(tài)并時刻檢測是否按下工作鍵，若按下工作鍵則進入pwm(脈沖寬度調(diào)制)初始化；pwm初始化后，單片機85根據(jù)微波火力組合及其相應作用時間設(shè)定各個微波火力所對應的開關(guān)頻率和pwm信號，并首先輸出微波火力組合中第一個微波火力對應的開關(guān)頻率和pwm信號，此時電源裝置開始工作；

(2)電源裝置工作時，通過恒功率控制對輸出功率進行調(diào)節(jié)，先根據(jù)輸出微波火力設(shè)定對應的功率；然后通過輸入電壓電流檢測電路81將檢測到的電壓、電流信號發(fā)送給單片機85，單片機85通過計算輸入電壓、電流的乘積得出輸入功率；最后通過比較輸入功率與設(shè)定功率來調(diào)整電源裝置的開關(guān)頻率，若輸入功率大于設(shè)定功率，則單片機85通過增大開關(guān)頻率來減小輸出功率，若輸入功率小于設(shè)定功率，則單片機85通過減小開關(guān)頻率來增大輸出功率，實現(xiàn)電源裝置的恒功率控制；同時，電源裝置在工作過程中，通過單片機85的控制調(diào)節(jié)使主開關(guān)管q1和輔助開關(guān)管q2均實現(xiàn)軟開關(guān)控制，第一電壓檢測電路82檢測到鉗位電容c2兩端的電壓增加時，單片機85將輔助開關(guān)管q2的控制信號變?yōu)楦唠娖?，輔助開關(guān)管q2實現(xiàn)零電壓開通；在當前主開關(guān)管q1驅(qū)動信號上升沿到來之前，第二電壓檢測電路83檢測主開關(guān)管q1漏源兩端的電壓值，若主開關(guān)管q1漏源兩端的電壓不為0，即沒有實現(xiàn)零電壓開通，則單片機85減少主開關(guān)管q1的占空比，若主開關(guān)管q1漏源兩端的電壓為0，即實現(xiàn)零電壓開通，則主開關(guān)管q1的占空比不變；

(3)單片機85在電源裝置工作過程中時刻判斷對應火力作用時間是否結(jié)束，若沒結(jié)束則繼續(xù)維持當前開關(guān)頻率和pwm信號；若結(jié)束則判斷是否為最后一個微波火力，若不是則微波火力+1，然后輸出下一個微波火力對應的開關(guān)頻率和pwm信號，并重復上述步驟；若是則輸出pwm封鎖信號，封鎖pwm輸出，然后電源裝置停止工作；在程序運行時，時刻檢測是否按下結(jié)束鍵，若沒有則不改變程序的正常運行，若有則直接進入pwm封鎖信號，停止電源裝置工作，完成微波爐磁控管電源裝置的控制。

本實施例所述帶有上拉有源鉗位支路的微波爐磁控管電源裝置的工作波形圖包括以下階段：

t0-t1時段：在t0時刻，主開關(guān)管q1的驅(qū)動電壓ugs1變?yōu)楦唠娖?，此時原邊繞組l2的電流為負，主開關(guān)管q1不導通，原邊繞組l2通過第一二極管vd1和濾波電容c1續(xù)流，主開關(guān)管q1的耐壓為0，到t1時刻，原邊繞組l2的電流變?yōu)?，主開關(guān)管q1導通，實現(xiàn)主開關(guān)管q1零電壓開通；

t1-t2時段：輸入電壓為原邊繞組l2充電，原邊繞組l2的電流逐漸增加，到t2時刻，主開關(guān)管q1的驅(qū)動電壓ugs1變?yōu)榈碗娖剑鏖_關(guān)管q1關(guān)斷；

t2-t3時段：諧振電容c3為原邊繞組l2充電，原邊繞組l2的電流繼續(xù)增加，到t3時刻，諧振電容c3的電壓降為0，原邊繞組l2的電流增加到最大；

t3-t4時段：原邊繞組l2反向為諧振電容c3充電，諧振電容c3的電壓反向增大，諧振電容c3的電壓小于鉗位電容c2的電壓，第二二極管vd2反向截止，到t4時刻，諧振電容c3的電壓大于鉗位電容c2的電壓，第二二極管vd2導通；

t4-t5時段：原邊繞組l2同時為鉗位電容c2和諧振電容c3充電，鉗位電容c2的電壓逐漸增大，到t5時刻，輔助開關(guān)管q2的驅(qū)動電壓ugs2變?yōu)楦唠娖?，但原邊繞組l2的電流仍為正，輔助開關(guān)管q2不導通；

t5-t6時段：原邊繞組l2繼續(xù)為鉗位電容c2和諧振電容c3充電，第二二極管vd2導通，輔助開關(guān)管q2兩端的電壓為0，到t6時刻，原邊繞組l2的電流下降為0，鉗位電容c2的電壓增加到最大，同時諧振電容c3的電壓反向增加到最大，諧振電容c3開始為原邊繞組l2反向充電，此時諧振電容c3電壓小于鉗位電容c2的電壓，輔助開關(guān)管q2導通，實現(xiàn)輔助開關(guān)管q2零電壓開通；

t6-t7時段：鉗位電容c2為原邊繞組l2反向充電，到t7時刻，輔助開關(guān)管q2的驅(qū)動電壓ugs2變?yōu)榈碗娖?，輔助開關(guān)管q2關(guān)斷，鉗位電容c2停止為原邊繞組l2充電；

t7-t8時段：諧振電容c3的電壓降低，原邊繞組l2的電流減小，到t8時刻，諧振電容c3的電壓變?yōu)?；

t8-t9時段：原邊繞組l2為諧振電容c3反向充電，諧振電容c3的電壓逐漸增加，到t9時刻，諧振電容c3的電壓增加到與濾波電容c1的電壓相等；

t9-t10時段：原邊繞組l2通過第一二極管vd1和濾波電容c1續(xù)流，到t10時刻，主開關(guān)管q1的驅(qū)動電壓ugs1變?yōu)楦唠娖剑藭r原邊繞組l2的電流為負，主開關(guān)管q1不導通。