一种数字化磁控管电源的制作方法

本发明涉及工业电源技术领域，具体涉及一种数字化磁控管电源。

背景技术：

微波加热具有加热均匀、速度快、热效率高、容易实现自动控制等优点。与传统的加热技术相比，微波加热无疑具有极大的吸引力和广阔的工业应用前景。而微波功率设备中的核心部件是驱动微波源的开关电源，它的工作效率和稳定性直接影响着微波设备的整体性能。

传统的磁控管驱动电源有两种方式，一种是线性电源，一种是脉冲式驱动电源；线性电源采用工频变压器、二极管、电容组成的倍压电路产生阳极高压。该结构利用工频变压器升压产生高压，但由于频率较低，所以该类结构体积大、笨重、损耗大，对电网谐波污染严重，而且供电电源的供电功率不可调，功率因数低。总之，当前磁控管驱动电源设计过于落后，数字化控制程度低。

技术实现要素：

针对磁控管驱动电源体积大、数字化控制程度低的问题，本申请提供一种数字化磁控管电源，包括：通讯模块、控制模块、调压模块、输出模块、输入保护模块和检测模块；

通讯模块采用标准MODBUS-RTU通讯协议；控制模块用于接收通讯模块的控制指令并实时调节控制调压模块，同时实时接收和处理检测模块的检测数据；调压模块用于接收控制模块的实时调节控制指令，并接收输入保护模块提供的电压，同时输出电压至输出模块，输入保护模块用于市电输入与输出的防护，检测模块用于磁控管电源的电路自检；

控制模块与所述通讯模块双向通信，通讯模块采用MODBUS-RTU标准协议通讯实现了磁控管电源的数字化控制。

一种实施例中，控制模块内置有PID算法，PID算法用于实现输出功率的平稳调节。

一种实施例中，调压模块包括高压调节单元和低压调节单元，输出模块包括阴极负高压输出单元和灯丝驱动电压输出单元，高压调节单元的输入和低压调节单元的输入端分别并联连接于市电，高压调节单元的输出端连接于阴极负高压输出单元，低压调节单元的输出端连接于灯丝驱动电压输出单元。

一种实施例中，高压调节单元包括顺次连接的分离MOS管桥臂电路、高频变压器和倍压电路。

一种实施例中，低压调节单元包括顺次连接的市电控制电路和工频变压器。

一种实施例中，检测模块还用于检测调压模块中的电压参数和电流参数，当检测到故障时，检测模块向控制模块发送报警信号控制模块根据报警信号实时启动故障检测。

一种实施例中，输入保护模块包括过流保护单元、过压保护单元和EMI滤波器。

一种实施例中，输入保护模块还包括功率因数较正单元，功率因数较正单元的输出端连接于分离MOD管桥臂电路，功率因数较正单元的输入端与市电控制电路的输入端并联于EMI滤波器的输出端。

依据上述实施例的数字化磁控管电源，由于通讯模块采用MODBUS-RTU标准协议通讯实现了磁控管电源的数字化控制，通过磁控管电源中各个控制电路的集成，缩小磁控管电源的体积。

进一步，通过控制模块中设置的PID算法能够根据设定的功率调整输出功率的稳定性。

进一步，通过增加的检测模块能够实现磁控管电源的电路自检功能，针对电路中的故障问题能够实现实时故障检测。

附图说明

图1为数字化磁控管电源基本原理框图；

图2为数字化磁控管电源部件原理框图；

图3为数字化磁控管电源输出功率稳定性测试数据图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本发明实施例中，提供一种数字化磁控管电源，其原理图如图1所示，具体包括如下组成部分。

基本组成部分包括通讯模块1、控制模块2、调压模块3、输出模块4、输入保护模块5和检测模块6。

具体的，通讯模块1采用MODBUS-RTU通讯协议，使得控制模块2通过通讯模块1与外部MODBUS-RTU硬件实现通讯；MODBUS是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。在MODBUS系统中有两种传输模式可选择，这两种传输模式与从机PC通信的能力是同等的，选择时应视所用MODBUS主机而定，每个MODBUS系统只能使用一种模式，不允许两种模式混用，一种模式是ASCII(美国信息交换码)，另一种模式是RTU(远程终端设备)，本例优选为RTU传输模式。

控制模块2用于接收通讯模块1的控制指令并实时调节控制调压模块3，同时实时接收和处理检测模块6的检测数据，及用于根据功率的设定值调整输出功率的平稳性，具体的，控制模块2内置有PID算法，如，功率的某一设定值为1300W，则通过PID算法可以调整磁控管电源输出功率的稳定性达到0.211％，实现磁控管电源输出功率的精确输出与控制，即使磁控管电源其他部件参数漂移，控制模块2也能实现输出功率的精确补偿，功率的设定范围为100.0W-1500.0W；另外，控制模块2还可以控制磁控管灯丝驱动电压，灯丝预热时间可以自由设定，其设定范围为5秒-60秒。

控制模块2还具有记录磁控管电源的输出功率标定值的功能，由于磁控管电源初始使用时需要输出功率标定，先通过外部标准MODBUS-RTU硬件设定输出功率为100W、375W、750W、1125W、1500W，并记录这些输出功率设定值，将记录的功率设定初始值通过MODBUS-RTU协议写入控制模块2，从而达到控制模块2记录磁控管电源的输出功率标定值的目的。

调压模块3用于接收控制模块2的实时调节控制指令，并接收输入保护模块5提供的电压，同时输出电压至输出模块4，即主要实现市电电压的控制，由于磁控管需要阴极供电和灯丝供电，而阴极供电是负高压供电，灯丝供电是低压供电，调压模块3需要分别将市电调节成高压和低压两路，如图2所示，本例的调压模块3包括高压调节单元31和低压调节单元32，相应的，输出模块4包括阴极负高压输出单元41和灯丝驱动电压输出单元42，高压调节单元31的输入和低压调节单元32的输入端分别并联连接于市电，高压调节单元31的输出端连接于阴极负高压输出单元41，低压调节单元32的输出端连接于灯丝驱动电压输出单元42。

进一步，高压调节单元31包括顺次连接的分离MOS管桥臂电路311、高频变压器312和倍压电路313，低压调节单元32包括顺次连接的市电控制电路321和工频变压器322，且市电控制电路321优选为继电器切换电路。

进一步，由于分离MOS管桥臂电路311与控制模块2的电位参考点不同，本例中在分离MOS管桥臂电路311与控制模块2之间还增加了隔离驱动，隔离驱动采用磁隔离的方式，通过在磁环上绕线实现磁耦合器，磁环输入绕组接收控制模块2发送的开关信号，磁环输出绕组接收到开关信号后驱动分离MOS管桥臂电路311。

进一步，本例的输入保护模块5实现了市电的输入与出的防护及提高电网有交利用率，输入保护模块5的输入端与市电相连，输出端与调压模块3相连，输入保护模块5包括过流保护单元51、过压保护单元52、EMI滤波器53和功率因数较正单元54，功率因数较正单元54的输出端连接于分离MOD管桥臂电路311，功率因数较正单元54的输入端与市电控制电路321的输入端并联于EMI滤波器53的输出端。

EMI滤波器53通常由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备，而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。

进一步，检测模块6实现了磁控管电源整体的自动检测，如，输入与输出参数检测、内部电路节点及故障预测等，检测模块6的输出端连接于控制模块2，当检测出故障结果时，检测模块6向控制模块2发送报警信号，控制模块2根据报警信号实时启动故障检测，并将故障信号数字化通过MODBUS通讯协议传输到外部标准MODBUS-RTU部件。

具体的，检测模块6实时检测磁控管电源实际的输出电压、输出电流；当检测模块6检测出磁控管电源实际输出电压与预设电压的偏差大于第一设定值的±10％时，检测模块6向控制模块2输出报警信号；当检测模块6检测出磁控管电源实际输出电流与预设电流的偏差大于第二设定值的±5％时，检测模块6向控制模块2输出报警信号；检测模块6根据实际输出电压和实际输出电流计算实际输出功率，当实际输出功率与预设功率的偏差大于第三设定值的±0.5％时，检测模块6向控制模块2输出报警信号，控制模块2根据报警信号实时启动相应的故障检测。

另外，检测模块6还实时检测磁控管灯丝驱动电压控制状态、驱动电压、驱动电流，实时监测磁控管灯丝驱动电压的有效性，如，当磁控管灯丝驱动电压与预设灯丝驱动电压的偏差大于灯丝电压额定值的±10％时，检测模块6向控制模块2输出报警信号，当磁控管灯丝驱动电流与预设灯丝驱动电流的偏差大于灯丝电流额定值的±10％时，检测模块6向控制模块2输出报警信号。

另外，检测模块6还实时采集温度检测信号，检测信号类型为热电阻信号和温度开关信号。温度检测主要包括但不限于变压器温度、功率部件温度、整流桥温度等。

另外，检测模块6还包括其他检测，主要包括但不限于市电输入电压电路参数检测、输入保护元件有效性检测、关键元器件检测。

根据上述提供的数字化磁控管电源实现磁控管驱动，并激励形成微波等离子体，具体的，根据选取的数字化磁控管电源中各部件实体，并结合浙江全世科技有限公司MPT相关产品，实现1500W的磁控管连续驱动，并激励产生微波等离子体炬，本例的数字化磁控管电源输出功率的稳定性如图3所示。

通讯模块1为MODBUS-RTU电路，具体采用RS485芯片，控制模块2采用LPC1765，实现与通讯模块1的通讯、采集检测模块6反馈的报警信号、控制调压模块3的输出等。

过流保护单元51采用T15AH250V为防爆陶瓷保险丝，属慢熔断型，最大过流能力为15A，过压保护单元52采用压敏电阻与气体放电管设计实现，EMI滤波器53可消除低通共模噪声和差模噪声，由共模扼流圈与X、Y电容构成，可以有效防止开关电源中的噪声向外释放，同时也能抑制浪涌、群脉冲、静电等的干扰，功率因数较正单元54采用STK760，STK760是PFC模块，实现功率因数校正，提高市电供电的有效利用率，当输入的市电依次通过过流保护单元51、过压保护单元52、EMI滤波器53和功率因数较正单元54后，市电转换成380VDC直流电压，输入市电范围为90VAC-264VAC。

分离MOS管桥臂电路311采用分离MOS管搭建桥臂电路，采用阻容、二极管实现MOS管的保护，通过开关桥臂电路实现逆变，将正380V直流电压转换为脉冲电压，同时，控制模块22根据设备需求输出开关驱动信号以驱动分离MOS管桥臂电路311实现脉冲电压的控制。

高频变压器312将脉冲电压升压后输出，转换为约1200V的交流电压。

倍压电路313实现四倍压，将1200V的交流电压整流后倍压为负4800V直流电压，并通过阴极负高压输出单元41为磁控管阴极供电。

市电控制电路321采用继电器切换对市电电压进行控制，工频变压器322将市电电压220VAC转变成磁控管灯丝的工作电压约4.6VAC，同时，控制模块2根据磁控管的工作情况实时控制磁控管灯丝的工作电压。

检测模块6实现输入电压电路参数检测、输入保护模块5中的元件有效性检测、STK760输出有效性检测、分离MOS管桥臂电路311电流检测、分离MOS管桥臂电路311驱动有效性检测、高频变压器312有效性检测、输出倍压电路313对称性检测、输出电压电路参数检测、市电控制电路321有效性检测、工频变压器322输出有效性检测、灯丝驱动电压电流检测，以及输出功率检测、磁控管温度检测和散热器温度检测等。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。