基于全橋逆變電路的野外用微波爐

摘要：根據(jù)在野外使用微波爐的需求，采用直流供電、全橋逆變、高頻升壓的方式設(shè)計(jì)了一種新型野外用微波爐。采用UCC3895作為移相控制芯片驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路，同時(shí)具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路，可有效確保磁控管的穩(wěn)定運(yùn)行。該野外微波爐避免了家用微波爐采用直流電源供電時(shí)要另加逆變控制器的麻煩，實(shí)現(xiàn)了野外微波爐的高效率、小型化和便捷化。
關(guān)鍵詞：野外用微波爐；全橋逆變；移相PWM；直流供電

O 引言
    在有交流220 V電源的場(chǎng)合，可以利用市面上已有的各種微波爐，但在沒(méi)有交流電源的地方，要使用微波爐，通常是要用一個(gè)大功率DC ／AC逆變器將蓄電池電源變成220 V交流電源，再供給微波爐使用，這會(huì)造成使用比較麻煩，且電池利用率相對(duì)不高等問(wèn)題?，F(xiàn)有產(chǎn)品缺少一種可以直接使用直流電源的微波爐。本文給出了一種采用直流電源供電的野外微波爐一體化設(shè)計(jì)方案，可以解決野外工作者和戶外游玩者的飲食加熱問(wèn)題。

1 野外微波爐整體設(shè)計(jì)
    圖1是野外用微波爐的原理框圖。其中，一體化定時(shí)火力選擇電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)；照明燈采用DC 24 V供電。正常工作時(shí)，通過(guò)移相控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和全橋逆變電路，將DC 24 V逆變?yōu)楦哳l方波電壓，再通過(guò)高頻變壓器升壓獲得2 000 V的高頻電壓，最后經(jīng)過(guò)倍壓整流得到4 000 V的負(fù)向直流電壓接到磁控管陰極。另外，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將磁控管的陰極電壓引回到移相控制電路中形成閉環(huán)控制，使磁控管陰極電壓穩(wěn)定在3 800～4 200 V范圍內(nèi)。電路中，采用UCC3895來(lái)控制相位，利用功率MOS管的輸出電容和變壓器的漏電感作為諧振元件，從而實(shí)現(xiàn)功率器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的零電壓切換。同時(shí)UCC3895還具有過(guò)流欠壓保護(hù)等功能。與傳統(tǒng)由直流電源逆變?yōu)?20V供電的微波爐比較，具有變壓器體積小，重量輕，整機(jī)成本低的特點(diǎn)，尤其轉(zhuǎn)換效率得到了較大提高。

    在圖1中，S1為門(mén)第一聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)；S2為門(mén)第二聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)；S3為門(mén)監(jiān)控開(kāi)關(guān)；S4為定時(shí)器開(kāi)關(guān)；S5為火力選擇開(kāi)關(guān)；S6為磁控管自復(fù)位熱斷路器；M1為一體化定時(shí)器火力選擇樣機(jī)；M2為風(fēng)扇電機(jī)；M3為轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)；T為高頻升壓變壓器；MAG為磁控管。

2 逆變電路的設(shè)計(jì)
2．1 移相控制電路的設(shè)計(jì)
    本文采用UCC3895作為移相控制芯片，電路如圖2所示。UCC3895是UCC3875的改進(jìn)型，除具有UCC3875功能外，還增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，既可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，具有完善的過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)和軟啟動(dòng)模式，性能優(yōu)越。其中，利用電流互感器，將磁控管電流信號(hào)經(jīng)引腳CS，引腳ADS與引腳RAMP分別輸至電流檢測(cè)及過(guò)電流比較器，自適應(yīng)延時(shí)設(shè)定放大器和PWM比較器。磁控管經(jīng)電阻分壓，TL-431和光電耦合器等饋送至SS／DISB，從而實(shí)現(xiàn)電壓反饋控制功能。[!--empirenews.page--]

    其中，振蕩頻率和同一橋臂的延時(shí)時(shí)間可由下式確定：
   
2．2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離器6N137和集成驅(qū)動(dòng)芯片IXDD414，如圖3所示。6N137為高速光電耦合器，由其真值表(如表1所示)可知，其輸入與輸出為反向，但當(dāng)輸入為低電平時(shí)，輸出為集電極開(kāi)路的高電平，所以這里使用上拉電阻調(diào)整電路。IXDD414是一種高速大電流驅(qū)動(dòng)器，可以在柵極電壓上升和下降的短暫時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生或吸收14 A的峰值電流。該驅(qū)動(dòng)芯片的輸入兼容COMS和TTL，同時(shí)可利用使能端EN進(jìn)行短路檢測(cè)，在EN輸入為邏輯低電平時(shí)，封鎖芯片輸出為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)MOSFET或IGBT的軟關(guān)斷，以防止開(kāi)關(guān)器件因過(guò)壓而損壞。

[!--empirenews.page--]
2．3 全橋逆變主回路的設(shè)計(jì)
    本文采用全橋逆變電路，如圖4所示。與半橋逆變相比，全橋逆變具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓利用率與可輸出功率高的特點(diǎn)。另外，在一般情況下，最大反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓Vs，4個(gè)再生二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。開(kāi)關(guān)管采用MOSFET，是因?yàn)槠渚哂袑?dǎo)通壓降小，開(kāi)關(guān)速度快，輸出功率大等特點(diǎn)。采用RC緩沖器可以在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)減小集電極電壓應(yīng)力，以防止開(kāi)關(guān)管因反壓過(guò)大而燒壞。

    選用RFP50N05L，TO-220AB封裝作為開(kāi)關(guān)管進(jìn)行計(jì)算。以開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻Rds(on)=0．027 Ω，高頻變壓器效率η=0．9，輸入電壓Ui=24 V，磁控管功率Po=920 W，占空比D=0．5為例，得Ii=43．6 A，Vds(on)=43．6×0．027=1．17 V，Pds=1．17×43．6×2×0．5=51．3 W。

3 高頻變壓器設(shè)計(jì)
    選擇開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz，輸入電壓為22～26 V，額定輸入電壓Ui=24 V，輸出電壓Uo=2 000 V，輸出電流Io=300 mA，變壓器允許溫升為20℃，效率為80％。
    (1)P1=Po／η=920／0．9=1 022 W。
    由PQ磁芯資料選定A16鐵氧體材料EE55／55／21鐵芯，其Ae=354 mm2。
    (2)因使用EE55／55／21的鐵芯，由參考圖可知，其生產(chǎn)廠家推薦的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值Bm在50 kHz時(shí)為90 mT，磁感應(yīng)密度增量△B=180mT= 0．18 T。
    (3)在占空比為0．5時(shí)：
    Ton(max)=0．51／50 000=10μs
    原邊匝數(shù)：
    Np=Vb×Ton／(△B×Ae)=24×10／(0．18×354)=4匝
    (4)
    其中：50 V為整流時(shí)，繞組的等壓降。
    每匝的伏數(shù)=24／4=6 V
    副邊匝數(shù)Ns=2 050／6=342匝
    若忽略開(kāi)關(guān)損耗等，理論計(jì)算微波部分的總效率為：
 

4 測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)
    采用FLUKE 15 B萬(wàn)用表三個(gè)，其中兩塊萬(wàn)用表接在磁控管的工作電路中。分別測(cè)量磁控管的陰極電壓、電流；另一塊接在高頻變壓器初級(jí)繞組上，用以測(cè)量初級(jí)電流。
    測(cè)試條件是直流電壓Ui=24 V，測(cè)得變壓器初級(jí)電流Ii=55 A，磁控管陰極電壓Uo=4 kV，磁控管電流Io=280 mA，則全橋逆變轉(zhuǎn)換率：
   

5 結(jié)語(yǔ)
    給出了一種新型直流供電的微波爐設(shè)計(jì)方案。采用全橋逆變與高頻升壓，有效地減小了微波爐的體積和重量，與采用逆變器加微波爐的工作方式相比，較大程度地提高了能源的利用率，更加符合野外微波爐的使用環(huán)境與特點(diǎn)。另外，通過(guò)合理配置變壓器參數(shù)，可以進(jìn)一步提高變壓器的效率，防止出現(xiàn)偏磁飽和等現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整控制回路的參數(shù)，可以進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電壓，保證微波功率在合理范圍內(nèi)。