一种远程监控LCC谐振式变换器的微波应用系统的制作方法

本发明涉及一种远程监控LCC谐振式变换器的微波应用系统，属于微波应用器设备技术领域。

背景技术：

微波应用器主要应用于材料合成、烧结、加热等，特别是材料的合成与烧结，对温度曲线的要求特别高，所以对于微波应用器不仅需要友好的人机交互环境，还需要有一个基于温度的稳定的闭环控制过程。另外设备还应具有小型化、高效率、绿色环保等一系列特点。

磁控管的阴极即电子的发射体，又是互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，被视为整个管子的心脏。大功率管的阴极引线工作时温度很高，常用强迫风冷散热。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后按规定降低阴极电流以延长使用寿命。然而，传统的磁控管阴极采用交流3.3V/10A电源进行供电，对管子的稳定性及寿命都有极大的影响。

现有的微波应用器可以本地操作，但不能远程控制，不便于实现系统的集中控制、数据的处理和存储以及报表的导出等等功能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种远程监控LCC谐振式变换器的微波应用系统，通过增加远程控制功能，方便实现系统的集中控制、数据的处理和存储以及报表的导出等等功能；改变现有磁控管阴极的供电方式，使磁控管阴极发出的电子更均匀，增强了微波应用器系统的稳定性。

本发明技术方案是：一种远程监控LCC谐振式变换器的微波应用系统，包括市电、输入整流滤波电路、半桥LLC式灯丝供电电路、LCC谐振变换器主电路、辅助电源电路、输入电压和电流检测电路、光偶隔离与驱动电路、输出电流检测与放大电路、功率给定控制板、微处理器、输出整流滤波电路、磁控管、被加热材料、热电偶、RS-485通讯电路、上位机；

市电通过输入整流滤波电路与LCC谐振变换器主电路进行连接，LCC谐振变换器主电路输出端经过输出整流滤波电路与磁控管的阳极连接，半桥LLC式灯丝供电电路的输入端通过输入整流滤波电路与市电连接，输出端通过输出整流滤波电路与磁控管的阴极连接，辅助电源电路输入端与输入整流滤波电路连接，输出端分别与微处理器、光偶隔离与驱动电路、输出电流检测与放大电路连接，输入电压、电流检测电路输入端与输入整流滤波电路的输出端连接，输出端与微处理器连接，光偶隔离与驱动电路输入端与微处理器连接，输出端与LCC谐振变换器主电路连接，输出电流检测与放大电路的输入端分别与输出整流滤波电路的输出端连接，输出端与微处理器连接，热电偶、功率给定控制板均与微处理器连接，磁控管的输出端与被加热材料连接，被加热材料的输出端与热电偶连接，RS-485通讯电路一端与微处理器连接，另一端与上位机连接，RS-485通讯电路一方面接收来自上位机的数据和命令并传送给微处理器执行，另一方面读取微处理器检测到的各种电参数并传送到上位机。

优选地,所述的LCC谐振变换器主电路包括全桥逆变电路、LCC串并联谐振回路以及高频高压升压变压器；

所述的全桥逆变电路包括四个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄内部分别集成有反向二极管且每个开关管两端都并上一个小电容；

所述的谐振回路包括串联谐振电感L_r、并联谐振电容C_rp和串联谐振电容C_rs；

所述的高频高压升压变压器的初级和并联谐振电容C_rp并联，次级与输出整流滤波电路连接，

全桥逆变电路的四个开关管的控制信号由微处理器输出4路PWM信号进行驱动。

优选地,所述的微处理器输出的4路PWM信号频率相同，占空比均为50％。

优选地,所述的输出整流滤波电路包括四个快恢复整流二极管、耐高压输出滤波电容C_out，四个快恢复整流二极管组成全桥整流电路且与高频高压升压变压器的次级连接，耐高压输出滤波电容C_out与四个快恢复整流二极管并联且与磁控管阳极连接。

优选地,所述的微处理器采用STM32F407ZGT6。

优选地,所述的半桥LLC式灯丝供电电路包括半桥逆变网络模块、LLC谐振网络模块、变压器，半桥逆变网络模块的一端分别与微处理器、输入整流滤波电路连接，另一端与LLC谐振模块的一端连接,LLC谐振模块的另一端与变压器模块的一端连接,变压器模块的另一端与输出整流滤波模块连接。

本发明的工作原理是：本发明通过两路RS-485总线一方面接收来自上位机的数据和命令并执行，另一方面读取电参数测量模块测量的各种电参数。此外，还通过A/D转换器转换来自热电偶的电信号，并换算成温度值；上位机上设有的超大屏幕能够很好以图形方式来呈现系统的运行状态，并且也方便进行数据的处理和存储；通过按键扫描接收来自现场控制面板输入的数据或者接收上位机发送的控制信息执行控制，同时将控制结果在微波应用器和上位机的显示屏上显示。微处理器的控制输出通过4路同频移相的PWM信号来实现，4路PWM信号控制电源驱动模块上的4个开关管，从而实现对输出功率控制，此外，采用LLC软开关技术和同步整流技术相结合的机制，实现灯丝的直流供电。

按功能分，可分为两功能区：(1)磁控管阳极的直流高压输出，电参数的测量由STM32F407和CS5460A共同完成，CS5460A负责对信号进行采集和运算，得到归一化各电参数值，STM32F407则负责对归一化的数据进行处理，并将数据传送到主控制模块。温度测量通过热电偶和信号放大滤波电路来实现，放大后的信号直接由A/D转换器进行数字化转换，最后，通过RS-485通讯电路,把微处理器的处理结果传送到上位机，实现信号的双向传输；

(2)给磁控管灯丝供电的输出，输入市电220V/50HZ的交流电，经过防雷模块、EMI模块等保护机构后，进行整流滤波得到稳定的310V直流电压。然后，半桥逆变网络根据设定的频率，再把直流电变成了与设定频率相吻合的方波信号，LLC谐振模块则为半桥逆变网络的MOSFET管实现软开关工作提供了基本条件，再经过功率变换变压器的降压，输出符合磁控管灯丝供电的交流电压，通过同步整流电路后变成直流电直接为磁控管灯丝供电。在同步整流电路中，驱动电路通过电流互感器实时的检测电路中的电流，适时的开通和关断同步整流管SR1和SR2，以达到代替传统二极管进行整流的作用。

本发明的有益效果是：(1)以微处理器为核心的物联网技术，实现微波应用器的远程监控，操作人员不仅可以远离微波应用器，还可以同时控制多台微波应用器，上位机的超大屏幕能够很好以图形方式来实时呈现系统的运行状态，并且也方便进行数据的处理和存储；(2)对微波应用器灯丝供电系统中性能不稳定的缺陷，采用了直流供电的机制，通过软开关与同步整流两技术相结合的方案，使得低压大电流的灯丝供电情况下，实现高效的目的。通过采用直流供电机制，提高了磁控管阴极发射电子的稳定性，同时，可以更易控制阴极的供电电流，在不同加热阶段，采用不同电流供电方案，大大避免了电子的回轰现象，达到磁控管高效工作，同时，有效延长磁控管的寿命。

附图说明

图1为本发明的整体结构连接框图；

图2为微处理器STM32F407ZGT6的最小系统电路图；

图3为RS-485通讯电路的电路图；

图4为基于LCC谐振网络的微波应用器电源电路拓扑设计图；

图5为辅助电源电路的电路图；

图6为线性光耦隔离电路的电路图；

图7为IGBT驱动电路的电路图；

图8为电压信号转换电路的电路图；

图9为电流信号转换电路的电路图；

图10为CS5460模数转换电路与微处理器STM32F407ZGT6的连接电路图；

图11为热电偶信号放大滤波电路的电路图；

图12为温度传感器LM75A的电路；

图13为传统灯丝供电电路的电路图；

图14为本发明半桥LLC式灯丝供电电路与外围电路的整体连接框图；

图15为本发明半桥LLC式灯丝供电电路的主电路图；

图16为图15中同步整流电路的电路图；

图17为图15中同步整流的驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-17所示，一种远程监控LCC谐振式变换器的微波应用系统，包括市电、输入整流滤波电路、半桥LLC式灯丝供电电路、LCC谐振变换器主电路、辅助电源电路、输入电压和电流检测电路、光偶隔离与驱动电路、输出电流检测与放大电路、功率给定控制板、微处理器、输出整流滤波电路、磁控管、被加热材料、热电偶、RS-485通讯电路、上位机；

市电通过输入整流滤波电路与LCC谐振变换器主电路进行连接，LCC谐振变换器主电路输出端经过输出整流滤波电路与磁控管的阳极连接，半桥LLC式灯丝供电电路的输入端通过输入整流滤波电路与市电连接，输出端通过输出整流滤波电路与磁控管的阴极连接，辅助电源电路输入端与输入整流滤波电路连接，输出端分别与微处理器、光偶隔离与驱动电路、输出电流检测与放大电路连接，输入电压、电流检测电路输入端与输入整流滤波电路的输出端连接，输出端与微处理器连接，光偶隔离与驱动电路输入端与微处理器连接，输出端与LCC谐振变换器主电路连接，输出电流检测与放大电路的输入端分别与输出整流滤波电路的输出端连接，输出端与微处理器连接，热电偶、功率给定控制板均与微处理器连接，磁控管的输出端与被加热材料连接，被加热材料的输出端与热电偶连接，RS-485通讯电路一端与微处理器连接，另一端与上位机连接，RS-485通讯电路一方面接收来自上位机的数据和命令并传送给微处理器执行，另一方面读取微处理器检测到的各种电参数并传送到上位机。

进一步地,所述的LCC谐振变换器主电路包括全桥逆变电路、LCC串并联谐振回路以及高频高压升压变压器；

所述的全桥逆变电路包括四个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄内部分别集成有反向二极管且每个开关管两端都并上一个小电容；

所述的谐振回路包括串联谐振电感L_r、并联谐振电容C_rp和串联谐振电容C_rs；

所述的高频高压升压变压器的初级和并联谐振电容C_rp并联，次级与输出整流滤波电路连接，

全桥逆变电路的四个开关管的控制信号由微处理器输出4路PWM信号进行驱动。

进一步地,所述的微处理器输出的4路PWM信号频率相同，占空比均为50％。

进一步地,所述的输出整流滤波电路包括四个快恢复整流二极管、耐高压输出滤波电容C_out，四个快恢复整流二极管组成全桥整流电路且与高频高压升压变压器的次级连接，耐高压输出滤波电容C_out与四个快恢复整流二极管并联且与磁控管阳极连接。

进一步地,所述的微处理器采用STM32F407ZGT6。

进一步地,所述的半桥LLC式灯丝供电电路包括半桥逆变网络模块、LLC谐振网络模块、变压器，半桥逆变网络模块的一端分别与微处理器、输入整流滤波电路连接，另一端与LLC谐振模块的一端连接,LLC谐振模块的另一端与变压器模块的一端连接,变压器模块的另一端与输出整流滤波模块连接。

如图14-17所示，本发明的半桥LLC式灯丝供电电路完整的输入输出连接方式是：防雷模块一端与市电连接，另一端与EMI模块的一端连接，EMI模块的另一端与整流滤波电路相连，整流滤波电路模块另一端与半桥逆变模块相连，半桥逆变模块的另一端与LLC谐振网络模块相连，LLC谐振网络模块另一端与变压器的原边相连，变压器的副边分别与电流检测模块的输入端、同步整流模块的输入端相连，同步整流模块的输出端与磁控管的阴极连接，半桥逆变模块的驱动连接端与半桥逆变驱动模块的输出端连接，半桥逆变驱动模块的输入端与微处理器相连，电流检测模块的输出端与同步整流驱动模块的输入端相连，同步整流驱动模块的另一端与同步整流模块的驱动端相连。

整个系统通过半桥逆变网络、LLC谐振模块、同步整流电路等模块实现软开关与同步整流技术的相结合。

图15中输出Uab和图16的输入Uab相连，构成了一个完整的改进型磁控管灯丝供电主电路，图15中的Q1和Q2的开通和关断由微处理器STM32F407ZGT6产生的PWM信号经过驱动电路后进行控制，驱动电路为图7的电路，在图16中，由MOSFET管代替了传统的快速恢复二极管以实现同步整流设计，其中，两个MOSFET的驱动电路为图17所示，通过电流互感器CT1和CT2，实时的检测电路中的电流，适时开通和判断同步整流管SR1和SR2，所以图17的输出Vo1连接图16的SR1，同理Vo2连接图16的SR2。

输入市电220V/50HZ的交流电，经过防雷模块、EMI模块等保护机构后，进行整流滤波得到稳定的310V直流电压。然后，半桥逆变网络根据设定的频率，再把直流电变成了与设定频率相吻合的方波信号，LLC谐振模块则为半桥逆变网络的MOSFET管实现软开关工作提供了基本条件，再经过功率变换变压器的降压，输出符合磁控管灯丝供电的交流电压，通过同步整流电路后变成直流电直接为磁控管灯丝供电。在同步整流电路中，驱动电路通过电流互感器实时的检测电路中的电流，适时的开通和关断同步整流管SR1和SR2，以达到代替传统二极管进行整流的作用。

对说明书部分附图进行具体描述：图1是微波应用器总供电系统，主要包括了阳极高压供电和灯丝低压大电流供电两部份，为磁控管的正常工作提供条件,由微处理器为核心构成主控制模块，由输出和输出电流、电压检测电路构成了电参数测量模块，由隔离、驱动电路构成了驱动模块；图2是STM32F407ZGT6最小系统电路图；3是本发明RS-485通讯电路，实现微处理器与上位机的互联，最终实现远程控制；图5为系统辅助电源图，为最小系统和电能计量芯片等供电；图6是线性光耦隔离电路图，实现数字系统与高压系统的隔离，起到保护数字系统不被高压系统干扰的作用；图7为IGBT驱动电路的电路图，属于图1中LCC谐振变换器模块与微处理器之间的隔离、驱动模块，起到隔离与驱动LCC谐振变换器模块中全桥逆变网络的4个IGBT管；图8和图9为电压和电流信号转换电路图，通过电压互感器和电流互感器对电源系统的输入输出信息进行采集，再连接图10的电参数测量专用芯片CS5460实现模数转换，以此专用芯片构成了电参量测量模块，对应的是图1中的输入和输出的电压、电流模块。图11是热电偶信号放大滤波电路，对热电偶输出电压的信号放大滤波，第一级采用差分放大滤波电路，它可以消除信号中的共模信号，从而可以提高系统的搞干扰性，第二级采用了同想些放大滤波电路，通过两级的方式可以提高低通滤波器的品质因数，有效的滤除掉高频信号，另外在信号进入AD转换器之前加入了一个电压跟随器进行信号隔离，以保证前级的放大滤波电路不受后级电路的影响。图12是温度传感器LM75A的电路图，属于图1中的热电偶模块部分，负责对被加热材料的温度进行检测，并把测得的温度值传送到控制器STM32F407中；图13是传统灯丝供电电路，输入市电220V，输出低压大电流的交流电给灯丝供电；图14至图16是本发明灯丝供电主电路，采用半桥式LLC谐振实现的软开关技术和同步整流技术，输出高质量的直流电压为灯丝供电，实现电源的高效、可控。

高效率高功率密度是电力电子产品的一个重要发展趋势。LLC谐振DC/DC变流器在变换效率和功率密度方面具有突出的优势。但是在灯丝电源这种低压大电流输出的应用场合，其二次侧整流电路的损耗往往占了总损耗相当大的比重。同步整流技术以导通电阻很小的MOSFET代替二极管，极大的提高了变流器的变换效率。而且MOS管为正温度特性，在采用两个或者两个以上并联时，可以自动均流，从而保证了器件的可靠性。因此，LLC谐振变流器型同步整流技术对提高微波应用器效能有着积极的意义。

微波应用器可以本地操作，但为了方便系统的集中控制、数据的处理和存储以及报表的导出等等功能，系统需要增加远程控制功能。通过远程控制操作人员不仅可以远离微波应用器，还可以同时控制多台微波应用器，上位机的超大屏幕能够很好以图形方式来呈现系统的运行状态，并且也方便进行数据的处理和存储。上位机和微波应用器通过基于MODBUS协议RS485总线进行连接，不仅能长距离的进行数据传输还具有较高的抗干扰性能。另外工业用上位机都有串行接口，只需一个转换模块就可以实现同RS485总线的连接。

本发明的微波应用器以磁控管为被控制对象，以电源驱动模块为中间件，通过嵌入式系统实现与上位机的通讯以及系统的控制。控制系统由主控制模块、电参数测量模块、电源驱动模块、热电偶等模块组成。其中主控制模块包含单片机STM32F407、RS-485通信电路、按键显示电路、信号放大滤波电流等。它们各司其职，相互配合，快速而又有条不紊的完成系统监控工作，整个系统工作原理图如图1所示。主控制模块中以32位的STM32F407为核心，实现测量数据的融合、算法的运算、控制量的输出、PWM信号的产生以及人机交互处理。主控制模块通过两路RS-485总线一方面接收来自上位机的数据和命令并执行，另一方面读取电参数测量模块测量的各种电参数。此外，还通过STM32内部自带的A/D转换器转换来自热电偶的电信号，并换算成温度值；通过按键扫描接收来自微波应用器控制面板的按键数据和远程PC端发出的控制命令并执行，同时将执行结果和当前系统运行状态都显示在微波应用器和PC的显示屏上。微处理器的控制输出通过4路同频移相的PWM信号来实现，4路PWM信号控制电源驱动模块上的4个开关管，从而实现对输出功率控制；半桥LLC式灯丝供电电路主要包括半桥逆变网络、LLC谐振模块、变压器模块、同步整流电路及驱动模块等组成。其中，半桥逆变网络把单一频率的直流电变换成具有一定频率方波信号；LLC谐振模块，则通过谐振使系统具有实现软开关的条件；同步整流电路，则通过用特殊MOSFET管代替传统的二极管进行整流，实现电源的高效能，采用这种LLC软开关技术和同步整流技术相结合的机制，有效的提高了低压大电流电源的效能，可以改进传统灯丝交流供电的输出电压不稳定和输出电流不易控制的不足，使阴极发出的电子更均匀，增强了微波应用器系统的稳定性。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。