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)動全橋逆變電路，同時具有過流、過壓保護電路，可有效確保磁控管的穩(wěn)定運行。該野外微波爐避免了家用微波爐采用直流電源供電時要另加逆變控制器的麻煩，實現(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電源的場合，可以利用市面上已有的各種微波爐，但在沒有交流電源的地方，要使用微波爐，通常是要用一個大功率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，這會造成使用比較麻煩，且電池利用率相對不高等問題?，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)計方案，可以解決野外工作者和戶外游玩者的飲食加熱問題。
1 野外微波爐整體設(shè)計
圖1是野外用微波爐的原理框圖。其中，一體化定時火力選擇電機、風扇電機、轉(zhuǎn)盤電機；照明燈采用DC 24 V供電。正常工作時，通過移相控制電路、驅(qū)動電路和全橋逆變電路，將DC 24 V逆變?yōu)楦哳l方波電壓，再通過高頻變壓器升壓獲得2 000 V的高頻電壓，最后經(jīng)過倍壓整流得到4 000 V的負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，從而實現(xiàn)功率器件開關(guān)狀態(tài)的零電壓切換。同時UCC3895還具有過流欠壓保護等功能。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，整機成本低的特點，尤其轉(zhuǎn)換效率得到了較大提高。
在圖1中，S1為門第一聯(lián)鎖開關(guān)；S2為門第二聯(lián)鎖開關(guān)；S3為門監(jiān)控開關(guān)；S4為定時器開關(guān)；S5為火力選擇開關(guān)；S6為磁控管自復位熱斷路器；M1為一體化定時器火力選擇樣機；M2為風扇電機；M3為轉(zhuǎn)盤電機；T為高頻升壓變壓器；MAG為磁控管。
2 逆變電路的設(shè)計
2．1 移相控制電路的設(shè)計
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，具有完善的過流、過壓、欠壓保護和軟啟動模式，性能優(yōu)越。其中，利用電流互感器，將磁控管電流信號經(jīng)引腳CS，引腳ADS與引腳RAMP分別輸至電流檢測及過電流比較器，自適應(yīng)延時設(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時間可由下式確定：
2．2 驅(qū)動電路的設(shè)計
驅(qū)動電路采用光耦隔離器6N137和集成驅(qū)動芯片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，但當輸入為低電平時，輸出為集電極開路的高電平，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)動器，可以在柵極電壓上升和下降的短暫時間內(nèi)產(chǎn)生或吸收14 A的峰值電流。該驅(qū)動芯片的輸入兼容COMS和TTL，同時可利用使能端EN進行短路檢測，在EN輸入為邏輯低電平時，封鎖芯片輸出為高阻態(tài)，實現(xiàn)MOSFET或IGBT的軟關(guān)斷，以防止開關(guān)器件因過壓而損壞。
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2．3 全橋逆變主回路的設(shè)計
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)簡單，電壓利用率與可輸出功率高的特點。另外，在一般情況下，最大反向電壓不會超過電源電壓Vs，4個再生二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。開關(guān)管采用MOSFET，是因為其具有導通壓降小，開關(guān)速度快，輸出功率大等特點。采用RC緩沖器可以在開關(guān)管關(guān)斷時減小集電極電壓應(yīng)力，以防止開關(guān)管因反壓過大而燒壞。
選用RFP50N05L，TO-220AB封裝作為開關(guān)管進行計算。以開關(guān)管導通電阻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
選擇開關(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)強度峰值Bm在50 kHz時為90 mT，磁感應(yīng)密度增量△B=180mT= 0．18 T。
(3)在占空比為0．5時：
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，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
若忽略開關(guān)損耗等，理論計算微波部分的總效率為：
4 測試方法與測試數(shù)據(jù)
采用FLUKE 15 B萬用表三個，其中兩塊萬用表接在磁控管的工作電路中。分別測量磁控管的陰極電壓、電流；另一塊接在高頻變壓器初級繞組上，用以測量初級電流。
測試條件是直流電壓Ui=24 V，測得變壓器初級電流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
給出了一種新型直流供電的微波爐設(shè)計方案。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。另外，通過合理配置變壓器參數(shù)，可以進一步提高變壓器的效率，防止出現(xiàn)偏磁飽和等現(xiàn)象。通過調(diào)整控制回路的參數(shù)，可以進一步穩(wěn)定輸出電壓，保證微波功率在合理范圍內(nèi)。
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