摘要： 提出一种基于LCC谐振变换器和全桥整流电路相结合的微波供电电源替代传统电源，并以恒功率-时间控制方式调控微波功率，确保磁控管在额定工况下，稳定工作、可靠运行；采用软开关电源研发的2kW新型微波高温设备，以PLC为系统控制器，设有自动、手动、恒温、恒功率等操作模式，明显提高了电源效率、压缩了整机体积，实现了升温迅速、功率稳定、连续可调，提高了微波设备的智能化程度和加热效果，特别适用于微波高温实验研究。
Abstract： A microwave power supply based on the combination of an LCC resonant converter and a full-bridge rectifier circuit is proposed to replace the traditional power supply. The microwave power is controlled by a constant power-time control method to ensure that the magnetron operates stably under rated conditions. The 2kW new microwave high temperature equipment developed by soft switching power supply takes PLC as the system controller， with automatic， manual， constant temperature， constant power and other modes of operation， significantly improving the power efficiency， compressing the machine volume， and achieving rapid heating， power stability， continuous adjustable， and improving the degree of intelligence and heating effect of microwave equipment， so it is especially suitable for high temperature microwave experimental research.
关键词： LCC谐振；软开关电源；智能化；高温设备
Key words： LLC resonance；soft switching power supply；intelligentization；high temperature equipment
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0119-05
0 引言
微波加热方式可同时加热物料的表里，而不完全依靠传统的热传导加热的过程，因此可以在很短的时间内达到均匀加热的效果[1]。微波加热方式相比于传统加热方式具有很多优势，如加热速度快、加热均匀，所需时间短，节省能源等特点[2]。1999年，美国宾州州立大学的Roy等人发现微波可以加热并熔化金属，微波更广阔的研究空间被打开。目前，美国、加拿大、德国、日本和澳大利亚等国家已在高技术陶瓷、粉末冶金、矿物冶金和耐火材料等领域实现了产业化[3]。工程实践证明，微波功率源中磁控管的驱动电源直接决定微波功率源性能的优劣[4]。微波应用器中的磁控管正常工作需要有高电压和大功率的电源供电，传统的供电电源采用工频变压器升压、整流滤波的方式，不仅效率低，而且设备体积大而笨重[5]。使用开关电源可以大大提高电源效率的同时使得设备质轻体小。在开关管开关变换过程中，由于和都很大，这将会产生很强的电磁干扰[6]，这种种问题都严重影响了电源性能的稳定，阻碍了开关电源的广泛使用，因此降低开关电源的开关损耗具有重要意义。
1 磁控管
1.1 磁控管结构
磁控管是微波应用器的核心器件，主要由阴极（灯丝）、阳极、环形磁钢、耦合环、天线（微波能量输出器）、散热器和灯丝插头组成。其中，阳极呈圆筒状、通常由铜材制成，筒中有多个翼片将阳极分割成十几个扇形空间，每个扇形空间就是一个阳极谐振腔，其谐振频率即为磁控管的工作频率[7]。在阳极的外壳嵌套一对环形永久磁钢，磁钢形成的磁场用于控制阳极腔内的微波振荡能量，阳极输出的微波能量通过一根环状金属传送到天线，再由天线向炉内发送微波能，对被加热物料进行加热[8]，如图1和图2所示。
1.2 磁控管特性
磁控管是一种用来在微波应用器中产生微波能的电子真空器件[9]。其实质是一个置于恒定磁场中的二极管。管内的电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得的能量转变成微波能量，从而实现产生微波能的目的[10]。磁控管正常工作时，阴阳两极之间需要加几千伏的直流高压电。阴极块产生的负高压使得电子从阴极块打向阳极块。磁控管在和阴极平行的方向加磁场，这样电子流在电场和磁场的共同作用下，最终打到阳极块开成电流，最后通过天线输出微波能量[11]，如图3和图4所示。
磁控管在正常工作時，先对灯丝进行加热，同时由于阴极和阳极之间存在高压电场，在电场的作用下，阴极向阳极发射电子，阳极接收到电子而形成阳极电流。电子在到达每个扇形阳极谐振腔时，按其谐振频率震荡，同时因环形磁钢产生的恒定磁场垂直于高压电场方向，在该磁场作用下，电子沿着阴极、阳极间的圆周空间作摆轮曲线运动，形成一个积聚能量的旋转电子云，并向阳极不断输送，从而在阳极上获得稳定的每秒振动频率约为2.45G的微波振荡能量。微波能量的大小主要取决于阳极电压的高低和磁场的强弱，由环形磁钢的磁场强度恒定，故而微波输出功率主要与阳极电压相关[12]。磁控管的伏安特性及其等效电路如图5和图6所示。
2 微波供电电源
微波应用器磁控管的供电电源，主要由3.3V、8A左右的交流灯丝供电电压和3600V、300mA左右电流的阳极直流高压组成；微波能量的强弱主要取决于阴阳极两极电压的高低和磁场的大小[13]，如图5所示。从图中可知，磁控管是一种非线性负载，当阴阳两端的电压小于阈值时，呈现出高阻态，只有阴阳两端的电压值超过工作阈值电压的时候，磁控管才可以工作在震荡状态，发出微波，此时磁控管呈现低阻状态，从而可以得到如图6所示的磁控管等效电路模型。图中，RL为灯丝的电阻，RN为磁控管工作在非震荡情况下的等效电阻，RY为磁控管工作在震荡情况下的等效电阻值，VF为磁控管工作在非震荡区域和震荡交界处的阈值电压，当阴极电压差小于VF的时候，磁控管将会工作在非震荡工作区域，阳极相当于连接开关Q0处，这个时候的磁控管虽然在工作，但是不能产生微波能量，当阳极的相对阴极电压值大于VF时，阳极相当于连接到了开关Q1处，磁控管进行震荡工作区域，此时磁控管可以正常的产生微波能量，可对被加热物料进行加热[14]。
2.1 模拟型微波供电电源
我国虽然是微波应用器的生产大国，但磁控管的供电方式都采用工频变压器升压后再进行倍压整流的方案[15]。传统微波应用器供电电源电路图如图7所示，图中，S为微波应用器总开关，T为工频升压器，M为磁控管，高压电容C、电阻R以及快恢复二极管VD构成了半波倍压整流电路，通过AC220V/50Hz的市电输入并经过工频漏磁变压器升压之后，最后经过半波倍压整流电路实现高压输出给磁控管的阳极和阴极供电[16]。
模拟型微波供电电源的输出电压是无法调节的，只能通过控制开关的打开或者关断的时间来调节输出功率，当开关一直处于闭合状态时，微波应用器输出最大功率，如需要减小输出功率时，则周期性的对开关进行断开，这样就能通过控制开关的断开和闭合时间比来对微波应用器输出功率进行调节[17]。
由此可见，模拟型微波供电电源并不完善。首先，由于微波应用器的磁控管处于断断续续的工作状态，影响加热效果也容易造成磁控管以及开关器件的损坏。其次，模拟型微波供电电源工作于工频状态下，工频变压器的体积和重量会直接导致微波应用器的体积和重量增加[18]。最后，这种工作方式下的微波应用器不利于实现智能化控制的需求。
经过以上的分析可知，微波供电电源主要作用是给磁控管提供合适的工作电压，因此，所设计的供电电源应具有电压波动小、功率连续可调的特点。
2.2 开关型微波供电电源
由于传统的磁控管驱动电源采用工频变压器升压后通过二极管、电容组成的倍压电路产生阳极高压，输出周期为20ms、占空比近似50%的类方波阳极电压。这种传统结构的驱动电源不但体积大、笨重、损耗大，且对电网谐波污染严重，功率因数低。目前市场上的微波电源不管磁控管工作与否，灯丝都会长期处于较大的电流下，这种情况下寿命会受到影响[19]。随着电子技术的发展，越来越多的研究人员对微波电源进行了研究，用开关电源的方式替代了传统的供电电源。
微波电源的普遍输入为市电220V/50Hz的交流电，频率为50Hz，体积大且笨重。因此，提出采用AC-DC-DC的方法可以有效解决该弊端，其工作原理如图8所示。
开关型微波电源对输入的220V/50Hz市电，进行一次整流滤波后，生成频率单一、幅值恒定的直流电，再经过逆变网络，将直流电转换成频率固定（一般为高频）的交流电，高频变压器再對输出的交流电进行升/降压，最后经过由高频二次整流后输出[20]。整个过程中，把50Hz的市电变频为高频的信号，从而使得电压器工作在高频状态下，可有效减小变压器的体积和重量[21]。
2.3 软开关型微波供电电源
开关电源的的引入，对微波应用器电源的体积、效率等都有了很好的改善。然而，引用这种技术的同时，必不可少的带来了另一种固有开关管的开关损耗[22]。在理想状态下，开关电源中的开关管是没有损耗的。但在实际情况下，开关管导通过程中，电流缓慢上升，电压缓慢下降；而在开关管关断过程中，电流缓慢下降，电压缓慢上升。在这一升一降的过程中，开关管中既有电流通过，两端又有电压，这就在开关管上产生了功率损耗，电源功率越大，这种损耗就越大；开关频率越高，累计损耗就越多。并且在开关管开关过程中，由于di/dt和dv/dt都很大，这将产生很强的电磁干扰，这些问题都严重影响了电源的稳定性，阻碍了开关电源的广泛使用，因此必须将开关电源的开关损耗降低[23]。后来有学者把串联式和并联式谐振软开关技术引入微波电源以减小开关损耗，再一次的提升了电源的效率，欲想继续提高电源效率、减小电源体积，必不可少的是不断提高电源的工作频率[24]。
由于微波应用器电源属于大功率领域，变压器的变比很大，在高频工作情况下，变压器会产生较大的分布电容[25]。为了合理地利用高压变压器的漏感和分布电容，确定了电源的拓扑结构为串并联式LCC谐振变换结构，实现软开关的同时，有效解决了高压变压器漏感和分布电容对电源模块稳定性问题[26]。在PWM控制硬件基础上，实现系统的功率控制，可以通过外部电压信号在1500W内调节微波应用器的输出功率。设计的微波电源具有输出功率可控的同时具有体积小、高效节能等优点，能实现高压过压、过功率等多重保护[27]。
通过上面的分析，开关损耗主要集中在导通和关断的瞬间，分别称之为开通损耗和判断损耗[28]。降低开通损耗的方式有：①在开关管开通前先将电压降至零，即零电压开通。②在开通过程中，保持其电流始终为零，或者限制其电流的上升率，即零电流开通。③同时做到零电压开通的零电流开通。同理，对于关断损耗也可以采用同样的方式：①在关断前使其电流降低到零，即零电流关断。②在开关判断过程中，始终保持电压为零，或者限制电压的上升率，即零电压关断。③同时做到零电压关断和零电流关断，将这些降低开关损耗的方式统称为软开关技术[29]。利用谐振现象，使开关管上的电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开能或者零电流判断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。按照其实现方式可以分为准谐振变换器、多谐振变换器和全谐振变换器三种类型。准谐振变换器是最早出现的一种软开关电路，它的特点是谐振元件没有全程参与谐振，而是在谐振中的某个过程参与[30]。多谐振变换器中谐振元件也是没有全程参与谐振，只是有多个谐振回路，所以被称之为多谐振变换器。全谐振变换器中，谐振元件则全程参与谐振，按照谐振元件的谐振方式，全谐振变换器又可分为串联谐振变换器、并联谐振变换器和串变联谐振变换器[31]。
串联谐振变换器中，谐振电感和谐振电容为串联关系，并形成一个串联谐振腔，谐振腔和负载之间也为串联的关系，如图9所示。串联谐振变换器有输入侧环流小，变换效率高的特点，并且谐振电容起到隔直的作用，能有效的防止变压器直流磁化[32]。但由于谐振腔和负载为串联分压的关系，所以当变压器的匝数比为1时，串联谐振变换器的增益总是小于1，轻载时电压很难稳定。
串并联谐振变换器的谐振腔有三个元件构成，包括1个电感，2个电容。串并联谐振腔可以看成是串联谐振腔和并联谐振腔的组合，如图10所示。串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器和并联谐振变换器的优点，在谐振腔内没有了较大能量的循环流动，并且在轻载时也能输出稳定的电压[33]。
通过对LCC谐振式微波应用器电源进行硬件电路设计和Matlab/Simulink仿真。设计的硬件电路包括LCC谐振电源的电路、STM32控制器模块、反馈电压电流的采样电路等。其中，LCC谐振电源电路的电路部分包括一次整流、滤波、全桥逆变网络、LCC谐振变换器、高频高压变压器、全桥整流以及二次滤波部分；STM32控制器模块部分包括STM32复位电路、时钟电路、DAC变换电路，以及IGBT开关管的4路驱动电路，以及模糊自整定PID算法设计，主要作用是产生4路移相PWM信号和输出功率控制。最后，用Matlab/Simulink进行仿真以验证电路参数设计的正确性。
为了克服模拟型微波电源存在的问题，采用研发的软开关型微波电源，并在3kW微波高温冶金设备上试用成功，新型微波开关电源结构如图11所示。
3 整体结构
新研制的高温微波设备不仅采用了软开关电源，而且在整体结构上也进行了改进：为减少冷却水的无端浪费，同时方便实验室应用，配备了自循环冷却水器件，对磁控管等发热器件进行封闭循环冷却降温；同时专门将微波磁控管激励腔改进为90°转弯波导实现激励，提高了有效微波辐射，同时缩减空间体积，方便器件布设，确保整机外形仅为850×600×630mm，使整机结构更趋于紧凑、合理。
新研發的微波高温设备如图12所示。
4 性能与应用
针对各类基本实验情况，设置的微波功率为2kW，并能在0-2000W范围内连续调控；由于整机控制方式采用PLC系统，设有自动、手动、恒温、恒功率等控制模式，并以恒功率-时间控制方式调控微波功率，确保磁控管在额定工况下，稳定工作、可靠运行；也能按照预先设置的升温梯度或曲线，实现程序加热或自动控制加热，升温速率依物料有所区别。进行试验时，物料温度可方便地以自动或人工操作方式，在室温至1200℃内实现精准控制，控温精度达到±0.5%，甚至加热量能以100W的热量进行精准递增，可靠控制高温反应的熔点、相变点、分解点等关注温度。
考虑到实验室高温研究的实际需要，已将微波腔体容积增大到40L，并在腔体内衬多晶莫来石绝热保温材料，适于加热kg级试验物料。再配备由温控开关、门开关、水流开关、过流保护和超温保护电路等组成保护系统，经7寸屏实现触摸控制，便于人机交互，用以进行各种高温试验；控制系统设有信息存储功能，不仅便于保存、处理实验数据和历史趋势图，还可用移动存储器方便拷贝存放。
5 结论
由于采用了启动平稳、微波功率连续可控的软开关电源技术，并且改进了微波整机结构，使得新研制的微波高温设备的稳定性、可靠性、平稳性与操控性得到大幅度提升。几年以来，该装置一直安全、连续、稳定运行，经受了上百人次的、不同高温条、不同物料的煅烧、热解、合成、氧化等众多实验检验，且从未出现任何故障，有力的论证了该方法的可行性和有效性，值得在微波冶金或其它高温试验研究领域中推广应用。
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