微波爐（microwave oven/microwave），顧名思義，就是用微波來(lái)煮飯燒菜的。微波爐是一種用微波加熱食品的現(xiàn)代化烹調(diào)灶具。微波是一種電磁波。微波爐由電源，磁控管，控制電路和烹調(diào)腔等部分組成。電源向磁控管提供大約4000伏高壓，磁控管在電源激勵(lì)下，連續(xù)產(chǎn)生微波，再經(jīng)過(guò)波導(dǎo)系統(tǒng)，耦合到烹調(diào)腔內(nèi)。在烹調(diào)腔的進(jìn)口處附近，有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的攪拌器，因?yàn)閿嚢杵魇秋L(fēng)扇狀的金屬，旋轉(zhuǎn)起來(lái)以后對(duì)微波具有各個(gè)方向的反射，所以能夠把微波能量均勻地分布在烹調(diào)腔內(nèi)。微波爐的功率范圍一般為500~1000瓦。從而加熱食物。本文給出了一種采用直流電源供電的野外微波爐一體化設(shè)計(jì)方案，可以解決野外工作者和戶(hù)外游玩者的飲食加熱問(wèn)題。

　　1 野外微波爐整體設(shè)計(jì)

　　圖1是野外用微波爐的原理框圖。其中，一體化定時(shí)火力選擇電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)；照明燈采用DC 24 V供電。正常工作時(shí)，通過(guò)移相控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和全橋逆變電路，將DC 24 V逆變?yōu)楦哳l方波電壓，再通過(guò)高頻變壓器升壓獲得2 000 V的高頻電壓，經(jīng)過(guò)倍壓整流得到4 000 V的負(fù)向直流電壓接到磁控管陰極。另外，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將磁控管的陰極電壓引回到移相控制電路中形成閉環(huán)控制，使磁控管陰極電壓穩(wěn)定在3 800～4 200 V范圍內(nèi)。電路中，采用UCC3895來(lái)控制相位，利用功率MOS管的輸出電容和變壓器的漏電感作為諧振元件，從而實(shí)現(xiàn)功率器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的零電壓切換。同時(shí)UCC3895還具有過(guò)流欠壓保護(hù)等功能。與傳統(tǒng)由直流電源逆變?yōu)?20V供電的微波爐比較，具有變壓器體積小，重量輕，整機(jī)成本低的特點(diǎn)，尤其轉(zhuǎn)換效率得到了較大提高。

　　在圖1中，S1為門(mén)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)；S2為門(mén)第二聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)；S3為門(mén)監(jiān)控開(kāi)關(guān)；S4為定時(shí)器開(kāi)關(guān)；S5為火力選擇開(kāi)關(guān)；S6為磁控管自復(fù)位熱斷路器；M1為一體化定時(shí)器火力選擇樣機(jī)；M2為風(fēng)扇電機(jī)；M3為轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)；T為高頻升壓變壓器；MAG為磁控管。

　　2 逆變電路的設(shè)計(jì)

　　逆變電路是與整流電路（Rectifier）相對(duì)應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路稱(chēng)為逆變電路。逆變電路是通用變頻器部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。將直流電能變換為交流電能的變換電路?？捎糜跇?gòu)成各種交流電源，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)中常見(jiàn)的交流電源是由發(fā)電廠供電的公共電網(wǎng)（中國(guó)采用線電壓方均根值為380V,頻率為50Hz供電制）。由公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電是普通的供電方式。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，相當(dāng)多的用電設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量和參數(shù)有特殊要求，以至難于由公共電網(wǎng)直接供電。為了滿(mǎn)足這些要求，歷史上曾經(jīng)有過(guò)電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和離子器件逆變電路。但由于它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均不如用電力電子器件（如晶閘管等）組成的逆變電路，因而已經(jīng)或正在被后者所取代。

　　2．1 移相控制電路的設(shè)計(jì)

　　本文采用UCC3895作為移相控制芯片，電路如圖2所示。UCC3895是UCC3875的改進(jìn)型，除具有UCC3875功能外，還增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，既可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，具有完善的過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)和軟啟動(dòng)模式，性能優(yōu)越。其中，利用電流互感器，將磁控管電流信號(hào)經(jīng)引腳CS，引腳ADS與引腳RAMP分別輸至電流檢測(cè)及過(guò)電流比較器，自適應(yīng)延時(shí)設(shè)定放大器和PWM比較器。磁控管經(jīng)電阻分壓，TL-431和光電耦合器等饋送至SS／DISB，從而實(shí)現(xiàn)電壓反饋控制功能。

　　其中，振蕩頻率和同一橋臂的延時(shí)時(shí)間可由下式確定：

　　2．2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離器6N137和集成驅(qū)動(dòng)芯片IXDD414，如圖3所示。6N137為高速光電耦合器，由其真值表（如表1所示）可知，其輸入與輸出為反向，但當(dāng)輸入為低電平時(shí)，輸出為集電極開(kāi)路的高電平，所以這里使用上拉電阻調(diào)整電路。IXDD414是一種高速大電流驅(qū)動(dòng)器，可以在柵極電壓上升和下降的短暫時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生或吸收14 A的峰值電流。該驅(qū)動(dòng)芯片的輸入兼容COMS和TTL，同時(shí)可利用使能端EN進(jìn)行短路檢測(cè)，在EN輸入為邏輯低電平時(shí)，封鎖芯片輸出為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)MOSFET或IGBT的軟關(guān)斷，以防止開(kāi)關(guān)器件因過(guò)壓而損壞。

　　2．3 全橋逆變主回路的設(shè)計(jì)

　　本文采用全橋逆變電路，如圖4所示。與半橋逆變相比，全橋逆變具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓利用率與可輸出功率高的特點(diǎn)。另外，在一般情況下，反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓Vs，4個(gè)再生二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。開(kāi)關(guān)管采用MOSFET，是因?yàn)槠渚哂袑?dǎo)通壓降小，開(kāi)關(guān)速度快，輸出功率大等特點(diǎn)。采用RC緩沖器可以在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)減小集電極電壓應(yīng)力，以防止開(kāi)關(guān)管因反壓過(guò)大而燒壞。

　　選用RFP50N05L，TO-220AB封裝作為開(kāi)關(guān)管進(jìn)行計(jì)算。以開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻Rds（on）=0．027 Ω，高頻變壓器效率η=0．9，輸入電壓Ui=24 V，磁控管功率Po=920 W，占空比D=0．5為例，得Ii=43．6 A，Vds（on）=43．6×0．027=1．17 V，Pds=1．17×43．6×2×0．5=51．3 W。

　　3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　高頻變壓器是作為開(kāi)關(guān)電源主要的組成部分。開(kāi)關(guān)電源中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多。比如半橋式功率轉(zhuǎn)換電路，工作時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)三極管輪流導(dǎo)通來(lái)產(chǎn)生100kHz的高頻脈沖波，然后通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行變壓，輸出交流電，高頻變壓器各個(gè)繞組線圈的匝數(shù)比例則決定了輸出電壓的多少。典型的半橋式變壓電路中為顯眼的是三只高頻變壓器：主變壓器、驅(qū)動(dòng)變壓器和輔助變壓器（待機(jī)變壓器），每種變壓器在國(guó)家規(guī)定中都有各自的衡量標(biāo)準(zhǔn)，比如主變壓器，只要是200W以上的電源，其磁芯直徑（高度）就不得小于35mm.而輔助變壓器，在電源功率不超過(guò)300W時(shí)其磁芯直徑達(dá)到16mm就夠了。變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。

　　選擇開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz，輸入電壓為22～26 V，額定輸入電壓Ui=24 V，輸出電壓Uo=2 000 V，輸出電流Io=300 mA，變壓器允許溫升為20℃，效率為80％。

　?。?）P1=Po／η=920／0．9=1 022 W。

　　由PQ磁芯資料選定A16鐵氧體材料EE55／55／21鐵芯，其Ae=354 mm2。

　　（2）因使用EE55／55／21的鐵芯，由參考圖可知，其生產(chǎn)廠家推薦的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值Bm在50 kHz時(shí)為90 mT，磁感應(yīng)密度增量△B=180mT= 0．18 T。

　?。?）在占空比為0．5時(shí)：

　　Ton（max）=0．51／50 000=10μs

　　原邊匝數(shù)：

　　Np=Vb×Ton／（△B×Ae）=24×10／（0．18×354）=4匝

　?。?）

　　其中：50 V為整流時(shí)，繞組的等壓降。

　　每匝的伏數(shù)=24／4=6 V

　　副邊匝數(shù)Ns=2 050／6=342匝

　　若忽略開(kāi)關(guān)損耗等，理論計(jì)算微波部分的總效率為：

　　4 測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)

　　采用FLUKE 15 B萬(wàn)用表三個(gè)，其中兩塊萬(wàn)用表接在磁控管的工作電路中。分別測(cè)量磁控管的陰極電壓、電流；另一塊接在高頻變壓器初級(jí)繞組上，用以測(cè)量初級(jí)電流。

　　測(cè)試條件是直流電壓Ui=24 V，測(cè)得變壓器初級(jí)電流Ii=55 A，磁控管陰極電壓Uo=4 kV，磁控管電流Io=280 mA，則全橋逆變轉(zhuǎn)換率：

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　給出了一種新型直流供電的微波爐設(shè)計(jì)方案。采用全橋逆變與高頻升壓，有效地減小了微波爐的體積和重量，與采用逆變器加微波爐的工作方式相比，較大程度地提高了能源的利用率，更加符合野外微波爐的使用環(huán)境與特點(diǎn)。另外，通過(guò)合理配置變壓器參數(shù)，可以進(jìn)一步提高變壓器的效率，防止出現(xiàn)偏磁飽和等現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整控制回路的參數(shù)，可以進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電壓，保證微波功率在合理范圍內(nèi)。