一种带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置的制作方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种带有源钳位电路的微波炉磁控管电源装置，特别是一种带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置。

背景技术：
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目前，家用变频微波炉磁控管电源电路一般采用llc谐振半桥逆变电路拓扑或lc谐振单管双极性逆变电路拓扑，前者存在着电路结构相对复杂，电源成本相对较高，桥臂上下开关管容易造成直通而烧坏等问题；后者虽然电路结构简单、成本低、效率高、可实现零电压开通和零电压关断控制等优点，但也存在着一些缺点，当微波炉输入电压为220vac/50hz交流电时，微波炉在运行过程中开关管承受耐压高达1200v以上，致使开关管只能选用耐压较高的绝缘栅场效应晶体管(igbt)，而为了线性调整磁控管的输出功率，需要igbt单管的开关频率从20khz到40khz之间做变频调制，而当igbt的开关频率大于25khz以后，其损耗会随着开关频率的增加而增大，从而制约了开关频率的进一步提高，不能使电源装置的体积和成本进一步降低，不利于这种新型微波炉磁控管供电电源的推广应用。因此，设计一种新型的带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置很有应用开发价值。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术的缺点，在变频微波炉磁控管电源用lc谐振单管双极性逆变电路拓扑中增加一条上拉有源钳位支路，该支路中包含一个辅助开关管，主开关管和辅助开关管的开关频率相同，均可实现软开关控制，且两管之间无直通问题，提高可靠性；而且在保持原有电路优点的情况下，使开关管耐压降低到原来的2/3，能够采用金属氧化物晶体管(mosfet)作为开关管，开关频率可达100khz以上，同时因辅助开关管导通时间短、功耗低，为减小电源的体积和重量、降低电源成本提供了技术方案。

为了实现上述目的，本发明所述带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置的主体结构包括整流桥、l1c1滤波电路、采样电路、上拉有源钳位支路、谐振电容、主开关管、第一二极管、高频变压器、高频倍压整流电路、放电电阻、磁控管和控制电路，第一二极管为主开关管的反并联二极管，单相工频交流电依次经过整流桥、l1c1滤波电路后转换成直流电，主开关管、第一二极管和上拉有源钳位支路将直流电逆变成高频交流电，此高频交流电施加在高频变压器的原边绕组两端，经变压器升压后，高频变压器的副边绕组两端产生高频高压交流电，此高频高压交流电经高频倍压整流电路后为磁控管供电；高频变压器副边的灯丝绕组产生的交流电直接为磁控管灯丝供电；整流桥将单相工频交流电进行整流，l1c1滤波电路由滤波电感和滤波电容电连接组成，用于工频滤波；采样电路由第一采样电阻、第二采样电阻和电流互感器电连接组成，采样电路与控制电路的输入电压电流检测电路一起用于检测输入电压电流；上拉有源钳位支路由钳位电容、辅助开关管和第二二极管按照电学原理电连接构成，第二二极管为辅助开关管的反并联二极管，辅助开关管源极与主开关管漏极相连，钳位电容一端与辅助开关管漏极相连，另一端与滤波电容的正极相连；当电源装置接入220vac交流电并且控制电路上电，主开关管关断后，主开关管漏源两端电压逐渐升高，当此电压上升到滤波电容与钳位电容电压之和时，主开关管漏源两端的电压被钳位在滤波电容与钳位电容两端，降低主开关管耐压；谐振电容与高频变压器的原边绕组并联，在主开关管的开通、关断变化下，谐振电容和原边绕组的电感发生谐振，实现高频逆变；高频变压器由原边绕组、副边绕组、灯丝绕组和带气隙磁芯电连接组成，高频变压器的原、副边耦合系数为0.5-0.95，副边绕组接入高频倍压整流电路，灯丝绕组与磁控管的灯丝相连为磁控管提供交流供电，高频变压器将原边高频交流电升压的同时实现电气隔离；高频倍压整流电路由第一高压整流二极管、第二高压整流二极管、第一滤波电容和第二滤波电容电连接组成，高频倍压整流电路将高频变压器的副边绕组所输出电压进行倍压整流滤波后为磁控管供电；放电电阻为第一滤波电容和第二滤波电容提供放电回路；磁控管用于产生微波；控制电路由输入电压电流检测电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、微波炉功能菜单或人工设定信号、单片机、驱动电路、辅助电源电连接构成，输入电压电流检测电路用于检测输入电压、电流，单片机根据检测数据进行频率调整，从而改变输出电压，实现恒功率控制；第一电压检测电路检测钳位电容两端的电压，当检测到钳位电容两端的电压增加时，单片机将辅助开关管的控制信号变为高电平，辅助开关管实现零电压开通，当钳位电容两端的电压增加时，原边绕组通过第二二极管为钳位电容充电，第二二极管导通，辅助开关管漏源两端的电压为零；第二电压检测电路检测主开关管漏源两端的电压；微波炉功能菜单或人工设定信号为单片机提供微波火力组合及其相应作用时间；驱动电路在单片机控制下驱动主开关管和辅助开关管的通断；辅助电源为单片机和驱动电路供电。

本发明实现带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置控制的过程包括以下步骤：

(1)电路上电，先单片机程序初始化，并接收由微波炉功能菜单或人工设定信号传来的对应微波火力组合及其相应作用时间；然后判断是否按下工作键，若没有按下工作键则进入待机状态并时刻检测是否按下工作键，若按下工作键则进入pwm(脉冲宽度调制)初始化；pwm初始化后，单片机根据微波火力组合及其相应作用时间设定各个微波火力所对应的开关频率和pwm信号，并首先输出微波火力组合中第一个微波火力对应的开关频率和pwm信号，此时电源装置开始工作；

(2)电源装置工作时，通过恒功率控制对输出功率进行调节，先根据输出微波火力设定对应的功率；然后通过输入电压电流检测电路将检测到的电压、电流信号发送给单片机，单片机通过计算输入电压、电流的乘积得出输入功率；最后通过比较输入功率与设定功率来调整电源装置的开关频率，若输入功率大于设定功率，则单片机通过增大开关频率来减小输出功率，若输入功率小于设定功率，则单片机通过减小开关频率来增大输出功率，实现电源装置的恒功率控制；同时，电源装置在工作过程中，通过单片机的控制调节使主开关管和辅助开关管均实现软开关控制，第一电压检测电路检测到钳位电容两端的电压增加时，单片机将辅助开关管的控制信号变为高电平，辅助开关管实现零电压开通；在当前主开关管驱动信号上升沿到来之前，第二电压检测电路检测主开关管漏源两端的电压值，若主开关管漏源两端的电压不为0，即没有实现零电压开通，则单片机减少主开关管的占空比，若主开关管漏源两端的电压为0，即实现零电压开通，则主开关管的占空比不变；

(3)单片机在电源装置工作过程中时刻判断对应火力作用时间是否结束，若没结束则继续维持当前开关频率和pwm信号；若结束则判断是否为最后一个微波火力，若不是则微波火力+1，然后输出下一个微波火力对应的开关频率和pwm信号，并重复上述步骤；若是则输出pwm封锁信号，封锁pwm输出，然后电源装置停止工作；在程序运行时，时刻检测是否按下结束键，若没有则不改变程序的正常运行，若有则直接进入pwm封锁信号，停止电源装置工作，完成微波炉磁控管电源装置的控制。

本发明与现有技术相比，电源装置的高频变压器可以实现双向励磁，使得电源装置可以输出较大的功率；主开关管和辅助开关管具有相同的开关频率，不存在直通问题，都能实现软开关，且辅助开关管在每个开关周期只导通一小段时间，导通损耗大大减小；变压器副边级联的高频倍压整流电路使得变压器副边绕组输出的不对称电压得到有效利用，使电源装置的整体效率进一步提高；变压器原边并联的谐振电容与变压器原边绕组的电感进行谐振使得电源装置输出/输入间具有较高的电压增益，在变压器匝数比一定的情况下，能通过脉冲频率调制瞬间提高输出电压幅值，使变频微波炉磁控管快速实现启动；上拉有源钳位支路的钳位作用使主开关管的耐压降低1/3，使主开关管和辅助开关管能采用mosfet作为开关，其开关频率可达100khz以上，进一步减小电源装置的体积和重量，降低电源装置的成本；其电路结构简单，成本低，可靠性高，效率高，能够通过脉冲宽度调制+脉冲频率调制相结合的控制方法在大范围和小范围精准改变输出电压和功率，应用前景广泛。

附图说明：

图1是本发明所述带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置的主电路结构原理示意图。

图2是本发明实现所述带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置控制的工艺流程框图。

图3是本发明所述带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置的工作波形图，其中ugs1为主开关管q1的驱动电压，ugs2为辅助开关管q2的驱动电压，uds1为主开关管q1漏源两端的电压，uds2为辅助开关管q2漏源两端的电压，uc3为谐振电容c3两端的电压，il2为原边绕组l2的电流，uc2为钳位电容c2两端的电压。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例所述带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置的主体结构包括整流桥1、l1c1滤波电路2、采样电路3、上拉有源钳位支路4、谐振电容c3、主开关管q1、第一二极管vd1、高频变压器5、高频倍压整流电路6、放电电阻r3、磁控管7和控制电路8，第一二极管vd1为主开关管q1的反并联二极管，单相工频交流电依次经过整流桥1、l1c1滤波电路2后转换成直流电，主开关管q1、第一二极管vd1和上拉有源钳位支路4将直流电逆变成高频交流电，此高频交流电施加在高频变压器5原边绕组l2两端，经变压器升压后，高频变压器5副边绕组l3两端产生高频高压交流电，此高频高压交流电经高频倍压整流电路6后为磁控管7供电；高频变压器5副边的灯丝绕组l4产生的交流电直接为磁控管灯丝供电；整流桥1将单相工频交流电进行整流，l1c1滤波电路2由滤波电感l1和滤波电容c1电连接组成，用于工频滤波；采样电路3由第一采样电阻r1、第二采样电阻r2和电流互感器ct1电连接组成，采样电路3与控制电路8的输入电压电流检测电路81一起用于检测输入电压电流；上拉有源钳位支路4由钳位电容c2、辅助开关管q2和第二二极管vd2按照电学原理电连接构成，第二二极管vd2为辅助开关管q2的反并联二极管，辅助开关管q2源极与主开关管q1漏极相连，钳位电容c2一端与辅助开关管q2漏极相连，另一端与滤波电容c1的正极相连；当电源装置接入220vac交流电并且控制电路上电，主开关管q1关断后，主开关管q1漏源两端电压逐渐升高，当此电压上升到滤波电容c1与钳位电容c2电压之和时，主开关管q1漏源两端的电压被钳位在滤波电容c1与钳位电容c2两端，降低主开关管q1耐压；谐振电容c3与高频变压器5的原边绕组l2并联，在主开关管q1的开通、关断变化下，谐振电容c3和原边绕组l2的电感发生谐振，实现高频逆变；高频变压器5由原边绕组l2、副边绕组l3、灯丝绕组l4和带气隙磁芯t电连接组成，高频变压器5的原、副边耦合系数为0.5-0.95，副边绕组l3接入高频倍压整流电路6，灯丝绕组l4与磁控管7的灯丝相连为磁控管7提供交流供电，高频变压器5将原边高频交流电升压的同时实现电气隔离；高频倍压整流电路6由第一高压整流二极管vd3、第二高压整流二极管vd4、第一滤波电容c4和第二滤波电容c5电连接组成，高频倍压整流电路6将高频变压器5的副边绕组l3所输出电压进行倍压整流滤波后为磁控管7供电；放电电阻r3为第一滤波电容c4和第二滤波电容c5提供放电回路；磁控管7用于产生微波；控制电路8由输入电压电流检测电路81、第一电压检测电路82、第二电压检测电路83、微波炉功能菜单或人工设定信号84、单片机85、驱动电路86、辅助电源87电连接构成，输入电压电流检测电路81用于检测输入电压、电流，单片机85根据检测数据进行频率调整，从而改变输出电压，实现恒功率控制；第一电压检测电路82检测钳位电容c2两端的电压，当检测到钳位电容c2两端的电压增加时，单片机85将辅助开关管q2的控制信号变为高电平，辅助开关管q2实现零电压开通，当钳位电容c2两端的电压增加时，原边绕组l2通过第二二极管vd2为钳位电容c2充电，第二二极管vd2导通，辅助开关管q2漏源两端的电压为零；第二电压检测电路83检测主开关管q1漏源两端的电压；微波炉功能菜单或人工设定信号84为单片机85提供微波火力组合及其相应作用时间；驱动电路86在单片机85控制下驱动主开关管q1和辅助开关管q2的通断；辅助电源87为单片机85和驱动电路86供电。

本实施例实现带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置控制的过程包括以下步骤：

(1)电路上电，先单片机程序初始化，并接收由微波炉功能菜单或人工设定信号84传来的对应微波火力组合及其相应作用时间；然后判断是否按下工作键，若没有按下工作键则进入待机状态并时刻检测是否按下工作键，若按下工作键则进入pwm(脉冲宽度调制)初始化；pwm初始化后，单片机85根据微波火力组合及其相应作用时间设定各个微波火力所对应的开关频率和pwm信号，并首先输出微波火力组合中第一个微波火力对应的开关频率和pwm信号，此时电源装置开始工作；

(2)电源装置工作时，通过恒功率控制对输出功率进行调节，先根据输出微波火力设定对应的功率；然后通过输入电压电流检测电路81将检测到的电压、电流信号发送给单片机85，单片机85通过计算输入电压、电流的乘积得出输入功率；最后通过比较输入功率与设定功率来调整电源装置的开关频率，若输入功率大于设定功率，则单片机85通过增大开关频率来减小输出功率，若输入功率小于设定功率，则单片机85通过减小开关频率来增大输出功率，实现电源装置的恒功率控制；同时，电源装置在工作过程中，通过单片机85的控制调节使主开关管q1和辅助开关管q2均实现软开关控制，第一电压检测电路82检测到钳位电容c2两端的电压增加时，单片机85将辅助开关管q2的控制信号变为高电平，辅助开关管q2实现零电压开通；在当前主开关管q1驱动信号上升沿到来之前，第二电压检测电路83检测主开关管q1漏源两端的电压值，若主开关管q1漏源两端的电压不为0，即没有实现零电压开通，则单片机85减少主开关管q1的占空比，若主开关管q1漏源两端的电压为0，即实现零电压开通，则主开关管q1的占空比不变；

(3)单片机85在电源装置工作过程中时刻判断对应火力作用时间是否结束，若没结束则继续维持当前开关频率和pwm信号；若结束则判断是否为最后一个微波火力，若不是则微波火力+1，然后输出下一个微波火力对应的开关频率和pwm信号，并重复上述步骤；若是则输出pwm封锁信号，封锁pwm输出，然后电源装置停止工作；在程序运行时，时刻检测是否按下结束键，若没有则不改变程序的正常运行，若有则直接进入pwm封锁信号，停止电源装置工作，完成微波炉磁控管电源装置的控制。

本实施例所述带有上拉有源钳位支路的微波炉磁控管电源装置的工作波形图包括以下阶段：

t0-t1时段：在t0时刻，主开关管q1的驱动电压ugs1变为高电平，此时原边绕组l2的电流为负，主开关管q1不导通，原边绕组l2通过第一二极管vd1和滤波电容c1续流，主开关管q1的耐压为0，到t1时刻，原边绕组l2的电流变为0，主开关管q1导通，实现主开关管q1零电压开通；

t1-t2时段：输入电压为原边绕组l2充电，原边绕组l2的电流逐渐增加，到t2时刻，主开关管q1的驱动电压ugs1变为低电平，主开关管q1关断；

t2-t3时段：谐振电容c3为原边绕组l2充电，原边绕组l2的电流继续增加，到t3时刻，谐振电容c3的电压降为0，原边绕组l2的电流增加到最大；

t3-t4时段：原边绕组l2反向为谐振电容c3充电，谐振电容c3的电压反向增大，谐振电容c3的电压小于钳位电容c2的电压，第二二极管vd2反向截止，到t4时刻，谐振电容c3的电压大于钳位电容c2的电压，第二二极管vd2导通；

t4-t5时段：原边绕组l2同时为钳位电容c2和谐振电容c3充电，钳位电容c2的电压逐渐增大，到t5时刻，辅助开关管q2的驱动电压ugs2变为高电平，但原边绕组l2的电流仍为正，辅助开关管q2不导通；

t5-t6时段：原边绕组l2继续为钳位电容c2和谐振电容c3充电，第二二极管vd2导通，辅助开关管q2两端的电压为0，到t6时刻，原边绕组l2的电流下降为0，钳位电容c2的电压增加到最大，同时谐振电容c3的电压反向增加到最大，谐振电容c3开始为原边绕组l2反向充电，此时谐振电容c3电压小于钳位电容c2的电压，辅助开关管q2导通，实现辅助开关管q2零电压开通；

t6-t7时段：钳位电容c2为原边绕组l2反向充电，到t7时刻，辅助开关管q2的驱动电压ugs2变为低电平，辅助开关管q2关断，钳位电容c2停止为原边绕组l2充电；

t7-t8时段：谐振电容c3的电压降低，原边绕组l2的电流减小，到t8时刻，谐振电容c3的电压变为0；

t8-t9时段：原边绕组l2为谐振电容c3反向充电，谐振电容c3的电压逐渐增加，到t9时刻，谐振电容c3的电压增加到与滤波电容c1的电压相等；

t9-t10时段：原边绕组l2通过第一二极管vd1和滤波电容c1续流，到t10时刻，主开关管q1的驱动电压ugs1变为高电平，此时原边绕组l2的电流为负，主开关管q1不导通。