CN101073291A - 高频加热电源设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高频加热设备并且提供频率调制的跟踪方法，以防止根据磁控管的温度变化而随时变化的振荡阈值ebm的谐波电流分量的扩展。将用于驱动第一半导体开关元件(3)和第二半导体开关元件(4)的驱动信号传送到驱动控制IC单元(14)，并且使用输入参考信号Ref来执行输入电流固定控制。在这种情况下，将输入参考信号Ref的输入电流的变化量理解为累积信息POW，并且在ebm跟踪偏置电路(20)的电阻器网络中最佳地配置恒定常数。从而，通过将偏置给予频率调制波形来提供操作频率上升的部分然后执行频率调制跟踪。以这种方式，通过轻松地处理温度变化所引起的振荡阈值ebm的变化，已经防止了谐波电流分量的扩展。

Description

高频加热电源设备

技术领域

本发明涉及用于在诸如通过驱动磁控管执行电介质加热过程的微波炉之类的高频加热设备的领域中抑制谐波电流分量的控制。

背景技术

因为烹调器具的特性，所以已经要求在诸如在家庭中所使用的微波炉之类的、基于高频加热的烹调器具中所使用的电源尺寸小并且重量轻。最好，用于放置电源的空间较小，以便容易地对其进行运输并且增大厨房中的烹调空间。为此，微波炉正变得更小和更轻，并且通过使用开关电源以较低的成本制造。结果，电源输出包含由电源的开关操作而产生的许多谐波分量的电流波形。此外，微波炉为了缩短烹调时间消耗多至2000瓦特。结果，也增加了电流的绝对值，并且使得难于满足电源的谐波性能。考虑到这些问题，已经提出了用于抑制谐波电流分量的产生的控制方法(改进措施)(例如，见专利文献1)。

图9示出了用于高频加热设备的磁控管驱动电源(反相器(inverter)电源)的一个示例图。磁控管驱动电源由直流(DC)电源1、漏磁变压器2、第一半导体开关元件3、第一电容器5(缓冲器(snubber)电容器)、第二电容器6(谐振电容器)、第三电容器7(平滑电容器)、第二半导体开关元件4、驱动单元13、全波电压倍增器(doubler)整流电路11和磁控管12构成。

DC电源1通过执行对商业电源的全波整流，将DC电压VDC施加给包括第二电容器6和漏磁变压器2的第一线圈绕组(coil winding)8的串连电路。第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4彼此串连，而包括第二电容器6和漏磁变压器2的第一线圈绕组8的串连电路并联到第二半导体开关元件4。

第一电容器5并联到第二半导体开关元件4并且作为防止开关过程期间的浪涌(surging)电流(电压)的缓冲器工作。在全波电压倍增器整流电路11中，将漏磁变压器2的第二线圈绕组9中所产生的高AC电压输出变换为高DC电压，然后将其施加在磁控管12的阳极和阴极之间。漏磁变压器2的第三线圈绕组10将电流提供给磁控管12的阴极。

由IGBT和与IGBT并联的续流二极管(flywheel diode)构成第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4的每一个。当然，第一和第二半导体开关元件3和4不限于这种，还可以使用晶闸管、GTP开关装置等。

驱动单元13在其中具有用于产生驱动第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4的驱动信号的振荡单元。该振荡单元以预定频率产生方波，并且将驱动信号传送到第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4。紧接着截止第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4中的任何一个之后，另一个半导体开关元件的两端的电压较高。因此，当将其任何一个截止时，产生类似尖峰(spike-like)的浪涌电流，因此产生不必要的损耗和噪声。然而，通过提供停滞时间(dead time)，可以将截止延迟直到该两端的电压变为0V为止。因此，可以抑制不必要的损耗和噪声。当然，可以将相同的操作类似地应用于逆开关过程的情况。

将省略对通过启动单元13所产生的驱动信号的每个操作模式的详细描述(参考专利文献2)。然而，图12中所示的电路配置的特征是：由第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4所产生的电压等于DC电源电压VDC，也就是，240√2＝339V，甚至在欧洲在一般家庭里也使用最高电压240V。因此，即使考虑诸如雷电电涌或者突然电压降之类的紧急情况，也可以将第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4用作具有针对600V等的电阻的低成本装置(例如，见专利文献2)。

随后，图10示出了在反相器电源电路(其中电感L和电容器C构成谐振电路)中的这种谐振特性。图10是示出在将预定电压施加到反相器谐振电路并且频率f0是谐振频率时的电流特性和工作电压的图。在实际反相器操作期间，在从比频率f0高的f1到f2的频率范围中使用电流和频率的曲线特性I1(实线)。

也就是，当谐振频率为f0时，电流I1具有最大值，并且电流I1随着频率范围从F1到F3增加而减小。这是因为，由于当电流I1在从f1到f3的频率范围中接近低频时，电流I1接近谐振频率，因此在漏磁变压器的第二线圈中流动的电流增加。相反，由于电流I1在电流I1接近高频时，电流I1变为远离谐振频率，所以漏磁变压器的第二线圈绕组的电流下降。用于驱动作为非线性负载的磁控管的反相器电源通过改变频率获得希望的输出。例如，分别在200W、600W和1200W的情况下f3、f2和f1附近，可以获得在LC电源中不能获得的连续输出。

此外，使用交流商业电源。因此，当不将高电压施加到电源相位0°和180°的附近时，在根据高频不振荡的磁控管特性的相位上，将反相器操作频率配置到其中谐振电流增加的f1的附近。以这种方式，可以通过提高所施加的磁控管电压对商业电源电压的助推比(boosting ratio)来增加传送电波的传导角。结果，可以通过在每个电源相位中改变反相器操作频率来实现基波分量多而谐波分量小的电流波形。

从而，图11是示出所施加的电压(即磁控管辐射微波所需要的振荡阈值ebm)的温度变化的特性的图。横轴表示在磁控管振荡之后流动的阳极电流Ia，而竖轴表示磁控管的阳极和阴极之间所施加的电压。将磁控管偏置到负电压。振荡大约为-4V的所施加电压，阳极电流开始流动，而且从天线辐射出微波。磁控管的振荡阈值ebm是与温度有关的，并且当温度更高时其可能下降。

这是因为在电子螺旋运动时使用磁体，并且磁性由于在阴极单元中正在振荡时电子碰撞所导致从1900K到2100K的高温而下降。为了避免上述现象，需要将磁控管配置为水冷型，使得温度变化变得非常小。然而，因为安装条件和成本原因，所以难于将普通家用微波炉配置为水冷型的，因此将大多数家用微波炉配置为风冷型的。因此，当温度以连续活动动的方式上升时，振荡阈值ebm下降直到-3KV。在图中的实线指示室温的状态，而虚线指示在温度上升时的特性。以这种方式，对磁控管的变化所导致的振荡阈值ebm的变化进行跟踪的反馈控制是非常重要的。毕竟，电源的谐波性能依赖于在室温的初始状态中频率调制波形的形状如何而很好地变化，以便防止谐波分量的发生。

专利文献1：JP-A-2004-006384

专利文献2：JP-A-2000-058252

发明内容

本发明要解决的问题

然而，由于在考虑实际使用的情况下根据规定时间几次测量电源的谐波，所以需要这样的解决方案：解决在传统配置中由磁控管的温度变化所导致的振荡阈值ebm的变化。然而，当不能执行对振荡阈值ebm的变化的跟踪的良好反馈控制时，当测量电源的谐波时，标准值可能在最后的时间偏离。

用于解决问题的装置

为了解决上述问题，已经作出了本发明，从而提供这样的配置：能够通过关于磁控管的振荡阈值ebm的变化累积输入电流的变化量作为累积信息、以容易和最佳的方式来对振荡阈值ebm的变化进行跟踪，并且根据所述累积信息来改变频率调制波形的偏置。

根据具有上述配置的本发明，当测量电源的谐波时可以防止谐波分量在最后的时间增加，并且允许输入电流关于磁控管的温度变化所导致的振荡阈值ebm的变化是均匀的。此外，可以增加标准值的余量程度。

本发明的优点

根据本发明的高频加热设备，由于执行频率调制控制的反馈控制如此地对磁控管的温度变化所导致的振荡阈值ebm的变化进行跟踪，所以可以增加标准值的余量程度，同时可以防止谐波分量。此外，可以甚至在关于定额(rating)电压向正或负变化时通过提供偏置值的上限和下限以稳定的方式来执行操作。

附图说明

图1是示出根据本发明第一到第四实施方式的高频加热设备的电路配置的图；

图2是示出根据本发明第一实施方式的ebm跟踪偏置电路的图；

图3是示出根据本发明第一实施方式的输入电流校正POW和偏置值的累积信息的特征的图；

图4是示出根据本发明第一实施方式的频率调制波形的变化的图；

图5是示出根据本发明第二实施方式的ebm跟踪偏置电路的图；

图6是示出根据本发明第三实施方式的ebm跟踪偏置电路的图；

图7是示出根据本发明第四实施方式的ebm跟踪偏置电路的图；

图8是示出根据本发明第四实施方式的输入电流校正POW和偏置值的累积信息的特征的图；

图9是示出已知磁控管驱动高频加热设备的电路配置的图；

图10是示出在将预定电压施加到反相器谐振电路时电流和工作频率的特性的图；和

图11是示出根据温度变化在振荡阈值ebm和Ia之间的关系的特性的图。

附图标记说明

1：DC电源

2：漏磁变压器

3：第一半导体开关元件

4：第二半导体开关元件

5：第一电容器

6：第二电容器

7：第三电容器

11：全波电压倍增器整流电路

12：磁控管

14：驱动控制单元

15：频率调制形成电路

16：振荡电路

17：停滞时间形成电路

18：开关元件驱动电路

19：输入固定控制电路

20：ebm跟踪偏置电路

具体实施方式

根据本发明的第一方面，高频加热设备通过允许半导体开关元件使用商业电源执行高频开关操作来驱动磁控管，其中通过累积输入电流的变化量作为累积信息并且根据该累积信息执行反馈控制，来执行带有在磁控管温度变化所导致的振荡阈值ebm的下降的输入电流固定控制。

根据本发明的第二方面，在特别根据本发明第一方面的高频加热设备中，通过将偏置给予作为频率调制波形的形状的基础的输入电压信息波形来自执行反馈控制。

根据本发明的第三方面，在特别根据本发明的第二方面的高频加热设备中，在偏置中提供上限。

根据本发明的第四方面，在特别根据本发明的第二方面的高频加热设备中，在偏置中提供下限。

根据本发明的第五方面，在特别根据本发明的第二方面的高频加热设备中，在偏置中提供上限和下限。

根据上述配置，甚至当发生由磁控管中的变化所导致的振荡阈值ebm变化时，也可以通过跟踪该变化和执行反相器操作的频率调制来维持带有小谐波分量的电流变型。因此，可以满足几次测量电源的谐波时的标准，并且增加标准值的余量程度。

下面，将参照附图描述本发明的实施方式。本发明不限于这些实施方式。

(第一实施方式)

图1是示出根据本发明第一实施方式的用于驱动磁控管的电路配置的图。直流电源1、漏磁变压器2、第一半导体开关元件3、第二半导体开关元件4、第一电容器5、第二电容器6、第三电容器7、驱动控制IC单元14、全波电压倍增器整流电路11和磁控管构成了整个电路。由于该整个电路配置与图9中所示的相同，所以将省略对其的描述。

在用于驱动半导体开关元件3和4的驱动控制IC单元14中，频率调制形成电路15根据商业电源的电压使用电阻分割波形(resistance divided waveform)来形成频率调制波形。频率调制形成电路15对从输入固定控制电路19接收的信号执行反馈控制，从而获得上述所需要的输入(200或者600瓦特)。在这种情况下，通过在将通过ebm跟踪偏置电路20添加关于电源电压的信息的同时将偏置给予频率调制波形的形状，来执行输入电流的固定和对ebm下降的跟踪。最后，利用半导体开关元件3和4的驱动，振荡电路16根据从频率调制形成电路15获得的信号来确定实际操作频率，并且停滞时间形成电路17确定所需要的停滞时间。从而，将开关装置驱动电路18所形成的方波传送到第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4的栅极。

图2是详细示出ebm跟踪偏置电路20的图。通过根据从输入固定控制电路19获得的振荡阈值ebm的变化将权重给予输入电流校正的累积信息(POW)，以及关于电阻器网络重的电源电压的信息。在这种情况重，累积信息POW的初始值通过例如2000W的输入的5.5V和600W的输入的7.5V的输入而改变，与该初始值相比较，由于磁控管的温度变化所导致的振荡阈值ebm的变化而逐渐增加。这是因为输入电流固定电路中所校正的量变得被累积(方面1)。

此外，图3示出了通过配置电阻器网络关于输入电流校正的累积信息POW的变化量将偏置值BIAS给予频率调制形成电路的变化量的程度。也就是，该图示出了关于振荡阈值ebm中的变化的变化量，而且在图3中所示的特性图的倾斜度(inclination)表示ebm变化的跟踪程度。可以通过配置电阻器网络201到204来容易地调整ebm变化的跟踪程度，而且频率调制波形的形状变化到所获得的偏置值，也就是，在添加偏置的部分的操作频率增加的方向中控制该频率调制波形的形状。图4详细示出了该控制的频率调制波形中的变化。粗实线表示在磁控管温度低时的频率调制波形的形状，而粗虚线表示在磁控管温度高时的频率调制波形的形状。也就是，在整流之后将偏置给予电源电压的信息波形，以均匀地维持输入电流，并且因为由于磁控管的温度变化而导致的振荡阈值ebm的下降所以提升反相器操作频率。以这种方式，可以防止由于振荡阈值ebm的下降而发生的输入电流波形的变化所导致的谐波分量的存在，从而满足电源的谐波性能(方面2)。

此外，当存在许多电阻器网络、图2中所示的控制代理参数时，可以将权重添加到每个电阻器网络，该网络使用作为Taguchi方法的改进方法和我们公司的其自身的科学解决方案方法的质量稳定性设计方法来评估最佳解决方案，因此更快速地防止电源谐波。结果，可以容易地确定振荡阈值ebm的变化的跟踪程度。

(第二实施方式)

如图5中所示，在根据第一实施方式的方法之外，还在给予频率调制波形的偏置值中提供上限。如图4所示，由于给予的偏置值的缘故，频率调制波形上升。在这种情况下，假设磁控管的温度在定额(+)一侧中+20％或+30％的不正常电压或者以低输出功率(例如，600W的输入)上升。为了使得输入电流固定，偏置值可能无休止地上升。在这种情况下，反相器操作频率处于上升方向，并且由于开关速率的限制，所以可能发生开关错误导致的毁坏。为了防止上述问题，可以提供偏置值的上限。以这种方式，可以在定额(+)一侧的不正常电压时限制反相器操作频率，从而解决开关错误导致的毁坏(方面3)。

(第三实施方式)

如图6所示，在根据第一实施方式的方法之外，还在给予频率调制波形的偏置值中提供下限。当图4所示的频率调制波形下降时，总体反相器操作频率降低，因此可以获得高的输出功率。在这种情况下，当定额(-)一侧的电压下降时，反相器操作频率不会帮助下降以获得高的输出功率。在实际中，由于在反相器操作频率中存在人可以听到的区域，所以将下限考虑为18KHz。此外，作为最低频率限制，在频率调制波形中独立地提供下限。然而，当在偏置中不存在下限时，在降低电压结束时固定反相器操作频率。结果，不能获得根据商业电源的SIN(正弦)波的频率调制，并且可能发生包括许多谐波分量的输入电流。考虑到对反相器部件进行冷却，将定额-20％或-30％的不正常电压时的冷却性能降级，而在高输出功率时可能发生热毁坏。为了解决上述问题，可以在偏置值中提供下限，并且在定额(-)一侧的不正常电压时可以防止输入电流的扩展，因此已经防止了谐波分量的扩展和热毁坏(方面4)。

(第四实施方式)

图7示出了根据第二和第三实施方式的组合方法。通过在偏置值中提供上限和下限，可以解决在电源电压从定额向(+)一侧或者(-)一侧不正常地变化时的所有相关问题。图8是示出根据第四实施方式的POW的特性和偏置值的图。甚至电源电压不正常地向(+)一侧或者(-)一侧改变，因此甚至当配置POW改变时，偏置值也在上限和下限的范围内变化，从而非常稳定。

已经参照具体实施方式详细描述了本发明，但是本领域的普通技术人员在不偏离本发明的要旨的情况下，可以进行各种形式的修改。

本申请基于2004年10月19日提交的日本专利申请No.2004-304095，将其通过参考进行合并。

产业的可利用性

根据本发明的高频加热设备，由于执行频率调制控制的反馈控制以最佳地跟踪由磁控管的温度变化所导致的振荡阈值ebm的变化，所以可以增加标准值的余量程度并且防止谐波分量。

Claims (5)

1.一种高频加热设备，其通过允许半导体开关元件使用商业电源执行高频开关操作来驱动磁控管，

其中，通过累积输入电流的变化量作为累积信息并且根据该累积信息执行反馈控制，来执行带有在该磁控管温度变化所导致的振荡阈值ebm的下降的输入电流固定控制。

2.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，通过将偏置给予作为频率调制波形的形状的基础的输入电压信息波形来自执行反馈控制。

3.根据权利要求2所述的高频加热设备，其中，在该偏置中提供上限。

4.根据权利要求2所述的高频加热设备，其中，在该偏置中提供下限。

5.根据权利要求2所述的高频加热设备，其中，在该偏置中提供上限和下限。

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