基于LLC谐振变换器的微波炉用高压变频电源

基于 LLC谐振变换器的微波炉用高压变频电源

覃承勇

身份证号码： 42108719821028****

摘要：随着人们生活水平的提高，消费者对微波炉的要求越来越高。健康、智能、节能将是微波炉的发展趋势。将LLC谐振软开关变换器与倍压整流电路相结合，得到一种新型微波炉电源。该电源结构简单，可在满负荷工作范围内实现软开关。同时利用磁集成技术有效利用变压器的漏感，因此具有功率密度高、效率高、开关噪声低等优点。而且磁控管功率可以连续调节，便于微波炉的智能控制。微波炉自问世以来，以其独特的性能优势，为人们的生活提供了极大的便利。传统的微波炉电源大多采用工频变压器通过倍压整流的供电方式。与高频开关电源相比，体积大、重量重、电磁污染严重。此外，微波炉的间歇运行对磁控管的寿命影响很大。

关键词：LLC谐振变换器；基波分析法；

传统的微波炉电源多采用工频变压器升压的供电方式，此类电源功率密度小、效率低、开关噪声大，对电网污染较大。针对这些问题，设计了一个输出端采用倍压整流方式的LLC谐振软开关变换器作为主电路，L6599芯片为控制核心的高压变频电源。应用基波分析法推导出变换器的直流增益，分析谐振网络的谐振电感系数和品质因数的曲线变化，优化变换器的谐振参数。

一、电源系统结构

该电源系统主要由LLC主电路模块、L6599和单片机组合的控制模块、磁控管负载组成。控制模块的L6599直接控制开管频率，检测电流大小，自动实现软启动。单片机主要负责电压过零检测、电流检测、功率设置、人机对话显示等功能。辅助电源部分则采用VIPER12A设计了一个小功率BUCK变换器输出5V和15V电压，为各芯片供电。

二、电源主电路的选择

在高频开关变换器的设计中，变换器的功率密度和设计尺寸越来越引起人们的关注，大功率密度、小设计尺寸已成为当今开关电源的主要发展方向。采用提高开关频率的方法虽然可以减小变压器等无源器件的尺寸，但是高频工作会使得开关损耗增大，造成能源浪费。随着电力电子技术的发展，谐振软开关技术得到了广泛的发展和应用，通过这一技术，开关管的损耗得到很大程度的降低，变换器尺寸对电源设计的限制减小，大大提高了变换器的功率密度。选用软开关变频电源取代传统的线性电源，一方面减小了电源体积和重量，增加电源功率密度，可使得微波炉的设计更加的多样化；另一方面使得输出电压和功率连续可调，延长了磁控管的使用寿命，饭菜的烹饪也更加可口美味。常用的谐振变换器主要有：SRC、PRC、SPRC(LLC)这三种拓扑结构，下面分别对这三种电路拓扑的工作特性进行分析。

1.串联谐振变换器。在串联谐振电路中，电感和谐振电容组成一个串联谐振网络，谐振网络和负载是串联连结，谐振腔和负载是分压关系，通过改变谐振腔的谐振频率来改变谐振腔的阻抗，从而分担输入电压，所以串联谐振变换器的输出电压增益的最大值为1，不能进行大范围的电压调节。此类电路拓扑轻载调整率低，需要担负较多的谐振能量，在高输入电压时有较大的关断电流。在小负载条件下，负载阻抗相对于谐振网络的阻抗非常大，全部输入电压落在负载上，使得人们很难在小负载条件下调节电压的输出，理论上，没有负载的情况下调节输出，频率会变为无限大。由于微波炉磁控管通过电压的调节来改变功率，对电源的电压输出要求较高，串联谐振变换器很难满足磁控管的运行要求。

2. 并联谐振变换器。并联谐振变换器的电路拓扑，它的工作特性与串联谐振相似，工作区在谐振点的右侧以获得零电压开关，工作区相对较小，使得在轻载时不需要开关频率变化很大来获得输出电压稳定，不存在轻载调整率的问题，并联谐振变换器的谐振网络和等效负载是并联关系，谐振网络中存在大量的谐振能量，开关管关断时电流较高，轻载时谐振腔中循环流动的能量非常大，由于线路阻抗的一直存在，所以线路损耗较大，变换器效率较低，难以在大功率场合下使用。对于1KW的微波炉电源来说，并联谐振变换器的损耗较高，因此该电路拓扑难以高效率地为磁控管供电。

3.串并联谐振变换器。它集合了SRC和PRC的优点，正常运行时谐振网络中滞留的能量较少，并且其对负载的变化不敏感，但是在宽输入电压条件下，在高压端导通损耗和开关损耗会增加。LCC电路的工作频率远离谐振频率，SPRC同样不能对宽输入电压的高压端进行优化。根据LCC存在的缺点，对其结构进行改进后使得其谐振频率点右移，相对于传统谐振变换器，LLC谐振变换器具有许多优点：首先，它可以在输入和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小；第二，它可以在整个运行范围内，实现零电压开通(zvS)；最后，所有寄生元件，包括所有半导体器件的结电容和变压器的漏磁电感和激磁电感，都可以加以利用实现ZVS。通过对各种谐振变换器的对比分析和研究，LLC谐振变换器凭借诸多优势在各个领域的电源设计中得到广泛的应用。本课题中的微波炉负载一磁控管的负载的等值阻抗为固定值，对输出电压的要求较高，LLC谐振变换器可以通过在小范围内调节开关频率调节输出电压增益，从而稳定输出电压。利用LLC电路作为微波电源的主电路，配合高频变压器的绕组设计，完全可以设计一款能实现高压输出的大功率开关电源，该电源完全能满足微波炉磁控管的运行要求。通过以上分析与讨论，本课题采用LLC电路作为微波炉用软开关变频电源的主电路。

三、电源的控制电路设计

控制电路中主要以L6599芯片为核心，产生两路变频控制信号直接驱动两开关管，以实现功率的连续可调。L6599自带软启动功能，较高的启动频率可以保证输出电压在启动之初能实现低电压小功率输出。通过调节该芯片4脚电阻值，改变输出的控制频率。利用其电流和电压检测引脚检测电流电压，配合单片机智能调节功率输出。单片机采用pic16f系列684单片机。利用单片机主要检测输入电压过零点，调整谐振网络的输入输出增益，实现功率设置、电流检测、过流保护功能，配合L6599控制功率输出。

四、仿真及实验

为验证所研究的电源方案的正确性，分别对该电源的主电路和控制电路做了相关的仿真及实验。图1是主电路的SABER仿真输出波形。

图1主电路仿真波形

图1显示谐振电流Ir最大值在20A左右，在功率管的耐流范围内，且谐振电流相位滞后于谐振网络输入电压Ui．FHA，保证了软开关的实现，输出电压Uo接近4000V，能满足微波炉磁控管供电需求。设计了高压变频电源的硬件电路并进行了相关实验。取得的实验波形如图2所示，

图2实验波形

(a)为过零点检测结果，其中CH1探头为10倍衰减，电压输入最高值达到312V，检测电路能检测到输入电压过零点并输出信号。(b)为IGBT开关频率在50kHz时驱动波形以及开关管压降。根据过零点检测电路的输出信号，控制改变驱动开关频率，达到变频稳压的目的。(c)为样机主电路的谐振网络输入电压与谐振电流的波形，实验表明谐振电流波形较稳定，且相位滞后输入电压，开关管可以实现软开关，大大降低了开关损耗。实验结果进一步证明了该设计方案的可行性。

总之，设计了一种微波炉用高压变频电源。首先介绍了该电源系统结构，基于基波分析法分析电路模型，确定了谐振网络的元件参数，完成了主电路硬件设计。然后对控制电路进行了相关的软件和硬件的编程及设计。最后通过仿真和实验分析电路工作波形，验证了该设计方案的可行性，具有一定的实用价值。

参考文献：

［1］张鹏．基于高频谐振变换器的新型微波炉电源设计．2019

［2］徐勤芳，基于LLC谐振变换器的微波炉用高压变频电源研究.2020.