定制化解决方案

微波炉变频整流控制系统





一、项目应用范围


        本项目(微波炉变频整流控制系统)主要应用于以下领域:家用微波炉


二、本项目优势、特点与国内外同类产品的比较  


        近年以来,随着消费市场的不断成熟与需求,行业龙头企业不断开发新的微波炉技术与产品,微波炉已经成为人们家庭厨房中不可缺少的电器之一。

        微波炉的主要耗能元件是产生微波的磁控管,因而通过改进为磁控管供电的电源是达到节能目的主要途径。

        目前我国微波炉中磁控管的供电电源大多采用工频变压器升压后整流的方案。这种方案的弊端在于,微波炉消耗的能源高,所占的体积大,自身重量重,并且输出功率无法调控,影响微波炉的智能化程度和烹饪口味。如果将传统的工频变压器升压式电源用高频开关电源代替,这样可以为磁控管提供连续可调的供电电压。不仅使微波炉的用电效率提高,使微波炉的体积和重量减小,不需要磁控管频繁的开关、关闭。调节了微波炉输出功率,使烹饪的食物更加美味。


 三、本方案的采用理由、描述


        本方案采用先进的软开关电源代替传统的线性电源为微波炉磁控管供电,这类微波炉电源主电路结构多为谐振电路,可以实现开关管的软开关。除此之外,高频谐振开关电源的输出功率可以根据开关频率的变化而线性连续的调节,从而实现微波炉输出功率的连续调节,大大的提高了微波炉的智能化程度。

        对于为磁控管供电的电源,不仅要控制其输出电压,而且需要大范围调节磁控管的输出功率。因此要想实现上述功能采用模拟控制芯片是不行的。本方案设计的供电电源的主电路是LLC谐振变换器,电源控制系统核心的控制芯片是dsPIC30F2020。


四、产品实现功能及性能介绍


        开关电源主电路即开关电源核心电路,是开关电源的电力电子电路。LLC谐振电路是串并联谐振变换器的一种,可以实现开关管的零电压导通,又可以利用变压器的等效模型把高频变压器与两个谐振电感集中在一个磁性器件里,这样LLC谐振变换器可以使器件数量减少,又可以减小电路寄生参数对变换器工作的不利影响。由此,本课题采用LLC谐振变换器对微波炉供电电源进行研究,采用二倍压整流电路进行整流。

                                                    LLC谐振变换器主电路工作原理图如下图所示:

 


五、项目关键技术


        1、激磁电感Lm的设计

        主电路中两个开关管分别导通时,它们之间有一个死区时间TD,它的作用在于阻断开关管的之间连通,并且能够保证开关管在驱动脉冲来之前其两端电压降低为0。为了满足效率和ZVS开通的要求,我们选择Lm在满足ZVS的条件的同时,取它的最大值。


 即:                             


         LLC谐振变换器中谐振网络阻抗呈感性,电流波形要滞后于电压波形,开关管关断之后,开关管两端仍然有尖峰电压,有可能毁坏开关管。用电阻与电容的并联可以吸收电压,避免开关管的损坏。

        本方案中,LLC谐振变换器中电阻R1和电容C2,  R1选用200kΩ的阻值,1W的功率。C2选用抗压600V,0.2μF的无极性电容。激磁电感Lm需要满足以下条件,开关管才能实现在整个工作范围内的ZVS导通。


 即       


        因为励磁电感越小激磁电流越大,而激磁电流越大铁耗越大。因此如果励磁电流选取过小的话会增加多余的铁耗,通过实验比较本方案采用谐振电感Lm为45 。

        2、谐振电感Lr与谐振电容Cr的设计

        谐振网络的直流增益 ,LLC谐振变换器的直流增益 受品质因数Q和电感系数 的影响。 的选取既不能太大又不能太小,要保证在一定的频率范围内,变换器都能有稳定的电压输出。

        经过实验比对,我们选取Lr为16μH,电感系数 。

                                LLC谐振变换器的谐振频率为


                     

                               

        求得谐振电容

                             

        谐振电流的有效值计算方法由以下公式:

                     

        因此本方案选取的谐振电容为尼吉康公司生产的电容,容量为4μF,耐压为250V。

        3、开关管的选择

        我们选择半桥结构的拓扑结构,开关管必须承受最大电压为市电整流之后的最大输入电压。即:


                                        

                   

        当开关管开通或者关断时,在管子两侧会产生尖峰电压,因此选择开关管的耐压范围时,要有一定的耐压裕量。

        开关管中流过电流的有效值和谐振网络的电流有效值是相等的,即:


                                                        

                          

        这样本方案选取的开关管是Fairchild公司生产的G60N100型号的IGBT,额定电流为 60A,耐压为1000V。

        4、整流滤波电路的要求及器件选择

        本方案的市电整流方式为单相全桥不可控整流电路,输入电压最大值为

                      

                                                        


        整流电路承受的最大正向电压为342.2V,它所能承受的最大反向电压也是342.2V,但是选取整流电桥的时候应该留有一定的裕量,一般是2-3倍。另外整流电路的平均电流可由以下公式求得:

                               

                                                        


    最大平均输入电流可求得为:


                                                        

       

        由以上电压电流的将计算,本方案采用的整流桥选用敦南的桥堆,额定电压为800V,平均电流为200A。

        5、控制系统设计

        本方案应用PIC单片机dsPIC30F2020为核心,实现LLC谐振软开关电源的数字智能控制。其中,控制系统的结构框图如下图所所示。

 


六、项目市场前景/可实现效益


        我国是一个微波炉生产大国,但是现在市场上的微波炉种样多、品牌杂,但是其技术性能和烹饪效果大体上都是比较低端的工频变压器技术。变频式微波炉采用LLC谐振电路控制,能够不断的改变磁控管功率的大小,这样可以使食物按照预定的温度加热,并且可以使食物受热均匀,这样烹饪的食物更加美味可口。能耗降低。能源消耗相对于传统的微波炉更低,提高了能源的利用效率。

        这将会让产品必须更新升级,以满足消费者不断提高的生活质量要求,电子,电器市场巨大份额,将给项目提供提供广阔的应用空间。

        本项目重点在行业龙头企业客户端导入,预期后续微波炉电行业50%以上的项目将会使用该项目方案。在家电市场引领行业新的升级。



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