[发明专利]高频加热设备

说明书

发明领域

本发明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。

发明背景

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V_DC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V_G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T_ON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W_L定义为：

W_L＝(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＝V_DCT_ON/L               (等式2)

其中V_DC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：

W_L＝(CV²)/2+W_MG          (等式3)

其中C是电容器的电容，V是电容器的电压，W_MG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V_CE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V_P的谐振波形。

可将IGBT的V_CE定义为：