高频加热设备制造技术

在电源中采用一种用于以较低耐压和较佳可控性来驱动磁控管的开关器件。高频加热装置包括电源、与电源相连的漏磁变压器、与漏磁变压器的初级线圈侧串联的第一开关器件、第一电容器、第二电容器和第二开关器件的串联电路、具有振荡器的用于驱动第一开关器件和第二开关器件的驱动电路、与漏磁变压器的次级线圈侧相连的整流器和与整流器相连的磁控管。通过这种结构，可固定施于第一开关器件的电压，与此同时，通过第二电容器和第二半导体开关器件的作用，可以自由地调节ＯＦＦ时间。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高频加热设备的领域，特别是，涉及采用诸如微波炉的磁控管的介电加热。特别是，揭示用于驱动磁控管的电源单元的电路结构。
技术介绍
在包括供家庭使用的高频加热设备的器具范围内安装电源单元。现有的电源单元一般分量重、体积大，因此越来越需要一种小型轻便的电源单元了。因此，现在正积极地研究发展采用开关电源的小型轻便又廉价的电源单元以在大范围内使用。还需要一种小型、轻便的电源单元用于驱动在运用磁控管产生的微波煮食物的高频加热设备中的磁控管。开关电源把交流电或直流电转换成具有不同频率和电压的交流电，或者转换成具有不同电压的直流电。运用诸如晶体管和可控硅的半导体开关器件可实现这个目的。换句话说，开关电源一般用于电功率变换。由于开关电源在高频下操作半导体开关器件，所以减小开关损耗是关键技术重点。特别是，在家用的高频加热装置中使用的开关电源单元可以高于1kW的速率转换电功率。相对于能量变换，减小开关损耗同样重要。因此，在高频加热设备中采用谐振电路系统的结构有利于减小开关损耗。这种电路系统被称为单个开关元件电压谐振电路，而且它是被设计成利用谐振电路减小开关损耗的影响，通过将正弦波形的电压加到半导体开关器件来缓和电压偏斜的系统。然而，现有技术的单个开关元件电压谐振电路具有下列缺点。第一，由于谐振电路的影响，使得施于半导体开关器件的电压上升。这可能要求半导体开关器件或相关电气元件被配置成具有更高的耐压，导致大型和昂贵的电源单元。第二，虽然可设定半导体开关器件的ON时间，但是OFF时间是谐振电路动作的函数，而且不能按照需要来调节。这减小了对单个开关元件电压谐振电路的控制的灵活性。在这方面引起了诸多不便，下面，在详细描述现有技术的单个开关元件电压谐振电路的同时将对它也进行描述。图21示出用于驱动在现有技术的高频加热设备中的磁控管的电源单元的电路图。图21示出用于驱动由交流电供电的磁控管的电源电路。从左边看图21，全波整流器把交流电源从交流电压变换成直流电压，而且把电压VDC加在电路上，在该电路中把半导体开关器件与包括电容器和漏磁变压器(由于漏磁通(magneticflux)而在初级线圈和次级线圈以及第三级线圈之间具有低于1的磁性连接的变压器)的并联电路串联。这个半导体开关器件在高频下进行操作。这里，将IGBT(绝缘栅(isulated-gate)双极晶体管)作为半导体开关器件。漏磁变压器和并联的电容器形成谐振电路。如果将驱动信号VG加在IGBT栅极上以接通IGBT，那么电流I流向IGBT，通过漏磁变压器的初级线圈。这是图22A所示的波形的周期T1。当在时间TON之后IGBT断开时，电流开始流向电容器，而且建立谐振。这是周期T2。图22B示出对于IGBT的驱动信号的波形。可将漏磁变压器的能量WL定义为WL＝(L12)/2 (等式1)其中I是电流而L是漏磁变压器的电感。可将电流I定义为I＝VDCTON/L (等式2)其中VDC是电容器的电压，即，直流电源电压。当谐振开始时，将上述能量传递到电容器，建立下列等式WL＝(CV2)/2+WMG(等式3)其中C是电容器的电容，V是电容器的电压，WMG是在整流器和与漏磁变压器的次级线圈相连的磁控管中消耗的能量。在把能量传递到电容器之后，开始从电容器向漏磁变压器提供能量，而且继续谐振同时如周期T3中所示产生衰减。为了保持稳定谐振，理想的是替换由磁控管消耗的能量。因此，把VG加在IGBT栅极上以再次接通IGBT而在周期T4中向初级线圈提供能量。谐振电路的特征在于通过在IGBT的集电极和发射级之间的电压VCE降至零时再次接通IGBT来减小开关损耗。图22C示出初级线圈电压波形VP的谐振波形。可将IGBT的VCE定义为VCE＝VDC-VP(等式4)其中VP是初级线圈的电压。因此，由于谐振的影响，VCE的波形具有如图22D所示的高电压峰值。由电容器、漏磁变压器、与次级线圈相连的整流器、磁控管的电路常数和向在如图21所示的电路中的漏磁变压器提供的能量总数确定在谐振周期T2到T3的时间TOFF。其中VP≥VDC的周期T3对于允许VCE降到零或更低是理想的。在周期T4中再次接通IGBT以替换由磁控管消耗的能量，从而允许建立稳定的谐振。由IGBT的ON时间TON确定向漏磁变压器提供的能量，而且更短的ON时间TON转换成更少的功率总量。可定义IGBT的驱动频率ff＝1/(TON+TOFF)。由于TOFF大部分是固定的，所以当TON变短时f上升，即，更少的功率总量。由等式4给出VCE，而且VCE不变成零或更低，除非在周期T3中满足关系VP≥VDC。如果减小功率，那么向漏磁变压器提供的能量，即，供给谐振的能量变得更小，而且可能不满足这个关系。这阻止在零电压下接通IGBT，导致转换损耗。此外，根据等式(2)和(3)，也可由电源电压VDC确定谐振的能量。电压越小意味着能量越低，导致更难满足关系VP≥VDC。这是现有技术的第三个缺点。下面给出对磁控管的简要解释。磁控管是用于产生微波的真空管，而且对于驱动磁控管需要存在两个条件。第一个条件是需要将阴极温度升至大约2,100K。第二个条件是在阳极和阴极之间采用高负电压。为了满足第一个条件，向阴极提供来自漏磁变压器的第三级线圈的电流以增加阴极温度。为了满足第二个条件，由整流器将漏磁变压器的次级线圈的高电压输出转换成高电压的直流电，而且在阳极和阴极之间加上高直流电压。当阴极温度是大约2,100K时，在磁控管的阳极和阴极两端的电压VAC和阳极电流IA之间的关系如图23所示。图23中的VBM被称为起始电压，而一般将-3.8kV的VBM用于家用微波炉。可将磁控管的功率PMG定义为PMG＝VAC/A(等式5)，大约70％的功率以微波形式发射。产生的微波的频率是2.45GHz，但是还产生低电平的其它频率的不需要的无线电波。为了消除这些无线电波，磁控管可能要求包括电容器和线圈的噪声滤波器。在图21中所示的电路图，将漏磁变压器的第三级线圈连到磁控管的阴极。由IGBT的ON时间控制功率，而且缩短ON时间如上所述减小功率。这减小了在第三级线圈中产生的电压，导致减小通过阴极的电流。频率f也增加了。可定义在磁控管中提供的噪声滤波器的线圈的阻抗ZLZL＝2πfLN(等式6)其中，LN是噪声滤波器的线圈的电感。由于频率f也上升，所以由于阻抗变高而抑制了阴极电流，导致阴极电流的进一步减小。这是现有技术的单个开关元件电压谐振电路的第四个缺点。第五个缺点与磁控管的启动相关。除非阴极温度达到大约2,100K的温度，否则磁控管是不可操作的。在启动时，需要一段时间来使阴极温度升高。由于微波炉的一个优点是快速煮，所以在微波炉中的磁控管能够尽快启动是十分重要的。出于这个目的，当启动时将尽量大的电流施于阴极，以产生快速升温。然而，如果启动时将大电流施于阴极，那么由于运用单个漏磁变压器构成向阴极提供电流的第三级线圈和向磁控管提供高电压的次级线圈，所以次级线圈的电压就同时升高。此外，由于通过快速缩短IGBT的ON时间而从低功率来启动磁控管，所以向磁控管的阴极提供的线圈阻抗升至高电平，从而增强了对阴极电流的抑制。为了在这些条件下提供充分的阴极电流，需要进一步增加次级线圈的电压。图24示出在阳极和阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与电源一起使用的高频加热装置，其特征在于，包括： 与所述电源相连的漏磁变压器； 与所述漏磁变压器的初级线圈侧串联的第一开关器件； 第一电容器； 第二电容器和第二开关器件的串联电路； 用于驱动所述第一开关器件和所述第二半导体开关器件的驱动装置； 与所述漏磁变压器的所述次级线圈侧相连的整流装置；和 与所述整流装置相连的磁控管。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：别荘大介，安井健治，石尾嘉朗，末永治雄，大森英树，三原诚，坂本和穗，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]