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1、 变频微波炉专用电源的研究 Variable Frequency Microwave Oven Dedicated Power Supply摘要本课题提出了一种使用LLC串并联谐振变换器和二倍压整流滤波电路相结合的方式作为微波炉地供电电源的设计方案，这种软开关电源可以代替以往的线性电源。用LLC串并联谐振变换器设计微波炉的供电电源，可以使微波炉的体积小、重量轻、效率高。本课题综合分析了微波炉的发展历史和微波炉专用电源的发展现状，并对微波炉的原理进行分析，介绍了磁控管的工作原理。选择LLC串并联谐振变换电路作为微波炉电源主电路，并对LLC电源主电路模型分析。在分析了LLC电路工作原理的基础上，设
2、计了谐振网络、开关管、整流滤波电路以及变压器的各参数。使微波炉能够工作在连续稳定功率可调的范围之内。本课题对微波炉的控制电路进行了相关设计，以单片机PIC30F2020为核心，设计了微波炉控制电路的硬件部分和软件部分。最后，应用软件SABER对LLC谐振变换部分进行仿真，仿真结果验证了理论分析的正确性。关键词 LLC谐振变换器 微波炉 SABER 磁控管AbstractUse this topic proposed a LLC, a series-parallel resonant converter and voltage doubling rectifying filter circuit
3、 is a combination of a microwave power supply design scheme, the soft switching power supply can be instead of the previous linear power supply. With LLC, a series-parallel resonant converter design of microwave power supply, can make the microwave small volume, light weight, high efficiency. This t
4、opic comprehensively analyzed the development history of microwave oven and microwave oven dedicated power supply development present situation, and analyzes the principle of microwave oven, introduces the working principle of magnetron. Choose LLC series-parallel resonant conversion circuit as the
5、microwave power main circuit, and the LLC power main circuit model analysis. On the analysis of the LLC, on the basis of circuit working principle, design of the resonant network, switch tube, the parameters of the rectifier filter circuit and transformer. Make the microwave oven can work in continu
6、ous stable power adjustable range. This topic to the microwave oven has carried on the related design control circuit, PIC30F2020 MCU as the core, to design the control circuit of the microwave hardware part and software part. Finally, the software SABER for LLC resonant transform part of the simula
7、tion, the simulation results verify the correctness of theoretical analysis. Keywords LLC resonant converter Microwave oven SABER magnetron目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 变频微波炉专用电源的研究现状21.3 本论文的主要研究内容2第二章 变频微波炉专用电源主电路的研究42.1 微波炉工作原理分析42.1.1 磁控管工作原理42.1.2 微波炉工作原理52.2 电源主电路的选择62.2.1 拓扑电路的选择62.2.2 谐振电路的选择
8、72.3 LLC谐振变换器主电路模型分析92.3.1 开关网络的电路模型92.3.2 输出网络122.3.3 谐振网络13第三章 电源的参数设计163.1 电源主电路的参数设计163.1.1 谐振网络的参数设计163.1.2 开关管的选择183.1.3 整流滤波电路的要求及器件选择183.2谐振变压器的磁集成设计193.2.1 变压器实际变比193.2.2 变压器铁心和绕组20第四章 LLC谐振开关电源控制系统的研究224.1 控制系统硬件电路224.1.1 功率检测224.1.2 单片机的选择及其介绍234.1.3 驱动电路的研究264.1.4 部分电路参数计算274.2 仿真研究294.2
9、.1 PIC单片机的软件开发环境294.2.2 主电路仿真原理结构图314.2.3 开关管驱动及管压降波形314.2.4 输入电压、电流以及输出电压波形图32结束语33谢辞34参考文献35第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义微波炉是人类最辉煌的发明之一，它的基本功能有烹调、加热、解冻、烘焙等。微波炉的外部结构主要由腔体、门、控制面板组成。内部结构由电源部、磁控管部、炉腔部、炉门部等几个部分组成。1945年，美国工程师波西斯本赛在微波发射器旁边观看时发现，放在口袋里的巧克力融化了。于是，斯本赛推断巧克力是由于微波作用而融化的。后来科学家发现，一定波长的电磁波能够使食物发热。鉴于这个想法，他大
10、胆的提出了用微波加热食物的可能。由此，一种利用微波加热的烹饪方法产生了。1946年，美国雷神公司与斯本赛合作开发了第一台加热食物用的微波炉，第二年获得了第一个微波炉的专利。1947年，世界上第一台家用微波炉推出，斯本赛本人因为突出成就获得了美国海军颁发的最高公民奖“公众服务优异奖”，同时被著名学府麻省理工大学授予名誉理学博士头衔。由于微波炉便利实用，20世纪70年代已经在欧美和日本等国家快速发展。进入80年代、90年代，控制技术、传感技术不断得到应用使得微波炉得以广泛的普及。现在一些发达国家，微波炉已经成为继彩电、冰箱之后的第三种主要家用电器产品。目前微波炉在美国的普及率已经达到65%以上，在
11、西欧达到66%以上，在日本达到65%以上。微波炉的品种也越来越多，有电机定时控制或电脑控制式的，有将微波炉加热与烘烤加热相结合的复合式的，还有根据食物的不同形状、大小、测出食物加热温度并自动调节微波炉加热时间的全自动式的等。1947年第一台微波炉推出时，有一个1700w的水冷式磁控管，重量超过340公斤，足有6英尺高。随着社会的进步，节能与环保成为我们日常生活中不得不考虑的问题。现在，中国微波炉发展相当快速，生产、销售规模庞大，消耗的电量总数不可估计，因此提高微波炉的用电效率为节能环保做出巨大贡献。深入开展节能工作，不仅能缓解能源紧张问题，而且是保持经济又好又快发展的必要途径，节能减排已然成为
12、我国的一项基本国策。微波炉的主要耗能元件是产生微波的磁控管，因而通过改进为磁控管供电的电源是达到节能目的主要途径。传统的微波电源采用普通的工频电源，经升压、整流和简单的滤波，体积大、效率低。本课题预采用先进的软开关电源代替传统的线性电源为微波炉磁控管供电，这类微波炉电源主电路结构多为谐振电路，可以实现开关管的软开关，所以微波炉可以拥有高效率、重量轻、体积小的优点。除此之外，高频谐振开关电源的输出功率可以根据开关频率的变化而线性连续的调节，从而实现微波炉输出功率的连续调节，大大的提高了微波炉的智能化程度。对于为磁控管供电的电源，不仅要控制其输出电压，而且需要大范围调节磁控管的输出功率。因此要想实
13、现上述功能采用模拟控制芯片是不行的。本课题设计的供电电源的主电路是LLC谐振变换器，电源控制系统核心的控制芯片是dsPIC30F2020。1.2 变频微波炉专用电源的研究现状我国微波炉技术总体起步较晚，但是发展速度很快。80年代的时候我国的微波炉无论是产量还是销量都是规模很小的，但是改革开放以来，随着科学技术的发展和经济建设，我国已经成为生产微波炉的世界第一大国。微波炉已经成为人们家庭厨房中不可缺少的电器之一，目前我国的民族企业也在不断的崛起，格兰仕、美的微波炉都在不断的加速发展自己的品牌，打破日美企业微波炉行业的垄断地位。虽然我国是一个微波炉生产大国，但是现在市场上的微波炉大部分不是高端产品
14、，不符合当今节能与环保的发展主题。目前我国微波炉中磁控管的供电电源大多采用工频变压器升压后整流的方案。这种方案的弊端在于，微波炉消耗的能源高，所占的体积大，自身重量重，并且输出功率无法调控，影响微波炉的智能化程度和烹饪口味。如果将传统的工频变压器升压式电源用高频开关电源代替，这样可以为磁控管提供连续可调的供电电压。不仅使微波炉的用电效率提高，使微波炉的体积和重量减小，不需要磁控管频繁的开关、关闭。调节了微波炉输出功率，使烹饪的食物更加美味。目前市场上微波炉种样多、品牌杂，但是其技术性能和烹饪效果大体上是差不多的。20世纪90年代，日本松下首先推出变频式微波炉，受到了日韩以及欧美各国的喜欢。这种
15、微波炉的优点在于：1）食物味道好。变频式微波炉采用微波电脑控制，能够不断的改变磁控管功率的大小，这样可以使食物按照预定的温度加热，并且可以使食物受热均匀，这样烹饪的食物更加美味可口。2）解冻效果变好。由于引进了无序解冻理论，使变频式微波炉解冻效果恰到好处，取得理想的效果，这样不会出现解冻不足的现象。3）内胆空间变大。大大增加了微波炉的体积，可以加热更多的食物。4）能耗降低。能源消耗相对于传统的微波炉更低，提高了能源的利用效率。2000年 ，中国变频式微波炉在日本松下上海公司诞生。之后几年，变频微波炉技术得到了较快的发展。但是变频微波炉核心技术仍然掌握在日美少数企业手中。而在中国以格兰仕、美的等
16、大型企业为代表的微波炉生产公司已经快速发展起来。格兰仕不仅志在让更多家庭拥有微波炉，而且始终不忘致力于微波炉的升级换代。但是，目前日、美少数企业一直掌握着变频微波炉的核心技术，中国企业要向走出国门，走向世界还需要坚持不懈的努力。1.3 本论文的主要研究内容本课题目的是研发一种微波炉的软开关电源，这种开关电源是用LLC谐振软开关电源代替老式的线性电源，这样能够使微波炉的体积减小，并且使微波率的效率提高，使微波炉功率更加容易调节，使微波炉更加先进实现微波炉的智能化。研究内容包括微波炉电源系统的主电路部分和控制电路部分。具体的研究内容主要包括：1、LLC谐振变换器的工作原理LLC电路主电路图如图1所
17、示，本课题设计的LLC串并联谐振变换器是半桥结构的，其中半桥结构是由两个开关管Q1和Q2组成的。开关管的导通信号驱动信号是两个各占百分之五十的信号，且两信号之间存在一个死区，为了防止两个开关管之间的导通。LLC谐振网络模块是由电感Lr、电容Cr串联和变压器电感Lm并联组成的。而本课题选用的二倍压整流电路是由电容C3、C4以及两个二极管组成的，它的主要作用是为磁控管提供高电压。图1.1 LLC电路工作原理图2、利用基波分析法对LLC谐振变换器进行建模基频分量法(First Harmonic approach)，假定功率经过谐振网络从电源传输到负载，只与电压和电流的傅利叶展开式中的基频分量相关。这
18、种特性是与谐振网络的选择特性是一致的。将LLC谐振变换器模型分为开关网络、谐振网络和输出网络三个部分，通过基频分析法分别分析这三部分，进行数学建模。3、仿真为验证所述LLC电路的工作原理，用SABER软件对谐振电路进行仿真。4、控制系统的策略研究驱动电路、电流和电压检测电路以及dsPIC30F2020构成了控制系统硬件电路，目的是来实现让开关管导通需，并且检测工作电流和电压，实现过电流、电压保护。最后电源输出功率也需要调节。5、硬件、软件的设计设计相应的驱动电路，其在整个系统中具有举足轻重的作用，可靠的驱动电路是系统正常、安全工作的保证。为了增加系统的可靠性必须加入各种保护，如过流、欠压保护。
19、第二章 变频微波炉专用电源主电路的研究2.1 微波炉工作原理分析2.1.1 磁控管工作原理微波炉的核心器件是磁控管，磁控管是一种能够产生微波能的电真空器件。从某种意义上来说是一个置于恒定电磁场中的二极管。二极管管内电子受到相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制，在高频电磁场中发生反应，获得微波能量，这样就能产生微波。磁控管的主要部分是管芯和磁钢。磁控管内部是必须保持真空的。下面介绍磁控管工作原理。磁控管的阳极谐振系统不仅能够在产生自身所需要的电磁振荡之外，而且也能够产生各种不同特点的电磁振荡。要想使磁控管工作在稳定的模式下,我们常常使用隔型带来使干扰模式隔离开来。阳极翼片是靠着隔型带一个一个的连接
20、起来的,这样能够使工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔增加。除此之外,经过能量交换后，电子仍然具有一定的能量,这些电子能够使阳极温度得到升高,随着阳极收集的电子的增多，阳极的温度也越来越高。因此,阳极必须具有很好的散热效果。功率管常常采用强迫风致冷,阳极上面有散热片。而大功率管常常采用水致冷,阳极上面有一套冷却水套系统。这样的阴极加热电流很大，要求阴极的引线不仅仅要短而且要粗，连接部分也要保证有良好的接触。大功率管的阴极引线工作时的温度特别高，因此我们经常采用强迫风致冷散热。磁控管工作进行的时候阴极要接到负高压。这样阴极引线就要有很好的绝缘效果。为了防止阳极过热，磁控管工作稳定以后，必须按照规
21、定减小阴极的电流，这样能够延长磁控管的使用寿命。电子的发射体就是磁控管的阴极。阴极的性能好坏会极大地影响磁控管的工作特性和使用寿命。阴极有很多的种类，功能也各不相同。连续波磁控管中经常采用直热式阴极，钨丝拧成螺旋状，然后通过电流加热到一定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极的优点有很多，加热时间短，抗电子打击能力突出，广泛的应用于连续波磁控管中。磁控管只有在很强的恒定磁场中才能正常的工作，磁感应强度特别高，一般能够达到数千高斯。随着工作频率的增加，外加电磁场也越来越强。磁控管的恒定磁场是由磁路系统产生的。磁路系统包括永磁和电磁。一般来说，小功率管使用永磁系统，它的磁钢与管芯非常坚固的集合为一个
22、整体就是所谓的包装式。大功率管常常采用电磁铁来产生磁场，管芯与电磁铁相互配合使用，管芯内有上、下极靴，这样能够固定磁隙的距离。磁控管在工作的时候，如果想要调整输出功率和工作频率，可以通过改变磁场大小的方法来实现。除此之外，若想提高磁控管的工作稳定性，我们还可以把阳极的电流反馈到电磁线包内，这样就能提高磁控管的工作稳定性。2.1.2 微波炉工作原理微波炉的主要电气部分如下图所示图2.1 微波炉电气流程图其工作过程为：电网电源通过电器控制系统将220伏工频电压送给高压整流器。高压整流器将220伏工频电压转换成4000伏左右的直流高压送给微波发生器，微波发生器工作。微波能通过波导管被送到加热室加热食
23、物。电器控制系统在微波发生器工作的同时，启动冷却系统，对工作中的高压整流器和微波发生器进行冷却，以防止温度过高，保证微波炉稳定、正常地工作。微波炉的微波发生部分如下图所示图2.2 微波发生电路高压整流电路电路工作原理为，220伏电网电源经过变压器升压，输出约2000伏左右的交流高压。高压绕组在正半周时，二极管VD4导通对电容器C2充电，电容器被充到电压的峰值。当高压绕组电压为负半周时，二极管VD4截止，磁控管导通，二极管VD3导通对电容器C1充电。电容器C2上正半周所充的电与绕组电压正相串联，获得2倍高压，即4000伏左右的直流高压，加在磁控管的阳极与阴极之间。这样，无论电压在正半周还是负半周
24、，磁控管都将获得持续不断的高电压。2.2 电源主电路的选择2.2.1 拓扑电路的选择 常用的整流电路包括半波整流、全桥整流、倍压整流、全波整流、倍流整流，本课题采用倍压整流电路，这样能够提高谐振变换器的电压增益。而对于多倍压整流电路（如图2.3） 增加二极管和电容的数量可以相应的提高电压的放大倍数，而由于电流大小受电容大小的影响，不会随着电容和二极管的数量增加而变化。对于二倍压整流电路（如图2.4），它的输出电流大小和整流电容大小无关虽然二倍压整流电路电压放大倍数有限，但仍然可以提供较大的输出功率，因此本课题采用二倍压整流电路。图2.3 多倍压整流电路图2.4 二倍压整流电路开关电源主电路即开
25、关电源核心电路，是开关电源的电力电子电路。要对开关电源电路选型，就要深入了解对各种不同的电力电子电路的工作原理，然后选择所用到的器件，最后进行参数的设计以及实验的仿真。根据电路是否具备电能回馈能力、输出端与输入端是否电气隔离以及电路的结构特点等标准，可以将开关电源中的电力电力电路分成几个类型，如下图2.5所示。图2.5 电力电子电路基本类型对于不同的电路，他们的特点也各不相同，相应的他们的应用场合也就不同。非回馈型的电路应用方面比回馈型的电路广泛，原因就是，非回馈型电路具有更加简单的电路结构和更加便宜的成本，并且大多数的电路应用不需要回馈结构，因此非回馈型电路更加实用。同样，隔离型电路比非隔离
26、型电路的应用范围更加广泛，虽然非隔离型电路结构简单，价格低廉，但是大部分的应用都需要将电路输入输出端隔离，因此隔离型电路更加受到人们的青睐。本课题选用非回馈型且隔离型电路，而正激电路、反激电路输出功率的限制无法实现要求，所以本课题可以选用半桥型电路、全桥型电路或者推挽型电路。2.2.2 谐振电路的选择谐振电路开关变换器应用谐振原理之后，使电流或电压波形符合余弦图形的规律。零电压开通就是在开关管的电压过零时开通开关管，零电流关断就是在开关管电流过零时关断开关管，这样能够使谐振变换器的功率开关损耗大大降低。功率谐振变换器是一种软开关变换器，在电路发生谐振时，在零电压的时候开通开关管，在零电流的时候
27、关断开关管，即零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)。在开关过渡过程中减小开关的应力而使储存的电磁能量增大，有利于提高变换器的开关频率和效率。根据负载与谐振电路的连接关系，谐振电路可以分为串联谐振变化器、并联谐振变换器以及串并联谐振变换器。LC串联谐振网络LC并联谐振网络LCC并联谐振网络LLC串并联谐振变换网络图2.6 四种不同的谐振电路串联谐振变换器有它自己的优点，串联谐振电容能够阻隔直流，不会让高频变压器饱和;并且串联谐振变换器轻载时的效率高。它也有自己的缺点，当串联谐振变换器轻载或者空载的时候，它的输出电压无法调控；而且滤波电容需要承受很大的电流波动。并联谐振变换器的优点在于，它可
28、以在空载工作；另外它对滤波电容的电流脉动电流要求比较小，因此它适用于输出电压低、输出电流大的情况。它的缺点在于，谐振电流与负载重量没有太大关系，因此开关管具有相对稳定的功率损耗，当它的负载比较低的时候效率也比较低，比较适合用在具有相对稳定的额定功率的负载和输出电压范围不大的场合。串并联谐振变换器同时具有串联谐振变换器的特点和并联谐振变换器的特点，但是相对于串、并联谐振变换器，它具有突出的优点。LLC谐振电路是串并联谐振变换器的一种，基本结合了三种谐振变换器的优点。LLC谐振电路可以实现开关管的零电压导通，又可以利用变压器的等效模型把高频变压器与两个谐振电感集中在一个磁性器件里，这样LLC谐振变
29、换器可以使器件数量减少，又可以减小电路寄生参数对变换器工作的不利影响。由此，本课题采用LLC谐振变换器对微波炉供电电源进行研究，采用二倍压整流电路进行整流。2.3 LLC谐振变换器主电路模型分析LLC谐振变换器主电路工作原理图如下图所示：图2.7 LLC电路工作原理图2.3.1 开关网络的电路模型在图2.7中开关管Q1和Q2是分开间隔导通的，并且它们之间有一个时间死区，这是为了防止两个开关管的直接导通。Ui是Us的幅值，矩形波的周期是Z。矩形波波形图Us如下图所示。图2.8 Us的波形其中， (2-1)傅里叶分解Us得： (2-2)式中，为开关频率。下图所表示的是Us的频谱图2.9 Us的频谱
30、我们假设谐振变换器的工作频率由下面公式表示由此我们可以得到LLC谐振变换器频率特性曲线：图2.10 频率特性曲线综合图2.9和图2.10可以得出，谐振网络有滤波的作用，通过谐振模块传送到负载侧的只有Us的基频分量，而Us中3，5，7，次谐波无法传送到负载侧。因此只有电压、电流的基频分量才和传送到负载侧的电源功率相关，而高频次波无关。易得Us基频分量如下： (2-3)当忽略Us中的3，5，7，等高次谐波之后，输入电流ig表示如下： (2-4)ig的特性曲线如图2.11所示: 图2.11 ig特性曲线经过以上分析，图2.7中的开关网络可以用一个二端口网络等效。如下图所示：图2.12 开关网络的等效
31、电路模型其中， （2-5） （2-6）2.3.2 输出网络占空比为0.5的方波的傅里叶分解为： (2-7) （2-8）Uac为输出整流网络的输入电压，也即是谐振网络的输出电压，则其傅里叶分解式为： (2-9)其中n为变压器的原副边的变比，为开关网络的开关角频率，f为开关网络的开关频率。因为只有基波分量产生有功功率，基波分量是必须重点分析的，Uac的基波分量如下： (2-10)设Ip为输出网络的输出电流峰值，我们可以把输出网络等效为一个电阻Req，其表达式为： (2-11)输出网络整流输出的电流先用电容将电流之中的高频成分过滤除去，从负载流出的仅仅剩下直流分量，用Io表示为： (2-12)可得，
32、方程联立可得谐振网络的交流等效输出电阻为： (2-13)2.3.3 谐振网络图2.13 谐振回路的交流等效电路谐振网络的输入电压既是开关网络的输出电压，谐振网络的输出电压既是输出网络的输入电压，可以得到谐振网络输入方波电压的基波有效值为： (2-14)谐振网络输出方波电压基波有效值为： (2-15)由谐振网络模型，可得谐振网络的增益为： （2-16)定义系数，串联谐振电路品质因数为，并将谐振频率，变压器的原边、副边匝数比n，开关频率f，开关角频率带入公式()得， (2-17)因为，得到谐振网络的直流增益为： (2-18)所以，可以得到LLC谐振变换器的电压增益表达式为：. (2-19)这个电路
33、的调压原理：通过改变工作频率f，改变谐振电感Lr和谐振电容Cr上的电压的分压，从而输出电压得以改变。变换器直流增益随、Q和的变化曲线如图2.14所示：a) Q=0.4，变化时的增益曲线b) =0.25，Q变化的增益曲线图2.14 和Q变化时直流增益的影响第三章 电源的参数设计3.1 电源主电路的参数设计3.1.1 谐振网络的参数设计LLC谐振微波炉电源主电路如下图所示：图3.1 LLC谐振微波炉主电路1、激磁电感Lm的设计谐振变换器中产生损耗的情况包括磁性元件产生的损耗以及开关管的开关、导通产生的消耗，还有控制电路的损耗也是不可忽略的。其中最主要的损耗是开关管和磁性元件产生的损耗。开关管的开通
34、的时候产生的损耗很小，我们以后将不再考虑。而导通损耗的大小和导通电流的大小有着正比的关系，要想减小导通损耗，可以通过减小谐振电流的方式来实现。铜耗和铁耗是磁性元件的主要损耗，铜耗随着谐振电流的增大而增大，而铁耗大小随着激磁电流的增大而增大。因此谐振变换器损耗和激磁电流、谐振电流有着紧密联系，可以通过减小电流来实现损耗减低和效率的提高。要想减小激磁电流和谐振电流，激磁电感Lm应该取比较大的数值。主电路中两个开关管分别导通时，它们之间有一个死区时间TD，它的作用在于阻断开关管的之间连通，并且能够保证开关管在驱动脉冲来之前其两端电压降低为0。为了保证零电压开通，必须满足以下条件： （3-1）要想在全
35、部工作范围让开关管ZVS导通，必须满足以下条件： （3-2）公式中的是电路的最高工作频率。因此，为了满足效率和ZVS开通的要求，我们选择Lm在满足ZVS的条件的同时，取它的最大值。即： （3-3）LLC谐振变换器中谐振网络阻抗呈感性，电流波形要滞后于电压波形，开关管关断之后，开关管两端仍然有尖峰电压，有可能毁坏开关管。用电阻与电容的并联可以吸收电压，避免开关管的损坏。图3.1中电阻R1和电容C2， R1选用200k的阻值，1W的功率。C2选用抗压600V，0.2F的无极性电容。激磁电感Lm需要满足以下条件，开关管才能实现在整个工作范围内的ZVS导通。即 （3-4）因为励磁电感越小激磁电流越大，
36、而激磁电流越大铁耗越大。因此如果励磁电流选取过小的话会增加多余的铁耗，通过实验比较本课题采用谐振电感Lm为45。2、 谐振电感Lr与谐振电容Cr的设计由公式 （3-5） （3-6）知：谐振网络的直流增益，LLC谐振变换器的直流增益受品质因数Q和电感系数的影响。的选取既不能太大又不能太小，要保证在一定的频率范围内，变换器都能有稳定的电压输出。LLC谐振电路的直流增益值为最小值的时候，可求 （3-7）Min是LLC谐振电路的最小增益。由此可得谐振电感为： (3-8)谐振电容Cr为： (3-9)此公式是在空载的情况下推导得出的，但是实际上微波炉加热的时候是不存在空载运行的，因此上述公式不适用。但是由
37、于激磁电感Lm和谐振电感Lr是集中在一个变压器中的，因此，变压器确定之后，谐振电感与激磁电感的比值就会确定在一个范围之内，没有太大的变化。经过实验比对，我们选取Lr为16H，电感系数。LLC谐振变换器的谐振频率为 （3-10）求得谐振电容谐振电流的有效值计算方法由以下公式： （3-11）可求得=25.93 （3-12）因此本课题选取的谐振电容Cr为容量为4F，耐压为250V。3.1.2 开关管的选择我们选择半桥结构的拓扑结构，开关管必须承受最大电压为市电整流之后的最大输入电压。即： （3-13）当开关管开通或者关断时，在管子两侧会产生尖峰电压，因此选择开关管的耐压范围时，要有一定的耐压裕量。开
38、关管中流过电流的有效值和谐振网络的电流有效值是相等的，即： （3-14）这样本课题选取的开关管是Fairchild公司生产的G60N100型号的IGBT，额定电流为 60A，耐压为1000V。3.1.3 整流滤波电路的要求及器件选择本课题的市电整流方式为单相全桥不可控整流电路，输入电压最大值为 （3-15）整流电路承受的最大正向电压为342.2V，它所能承受的最大反向电压也是342.2V，但是选取整流电桥的时候应该留有一定的裕量，一般是2-3倍。另外整流电路的平均电流可由以下公式求得： （3-16）最大平均输入电流可求得为： （3-17）由以上电压电流的将计算，本课题采用的整流桥为D20SB8
39、0，额定电压为800V，平均电流为200A。3.2谐振变压器的磁集成设计3.2.1 变压器实际变比变压器模型如下图所示：图3.2 变压器模型理想变压器变比n可由以下公式求得： （3-18）其中U0输出电压是输出电压，取值为4000VUin是输入电压，取值为。但是在实际的变压器中，磁芯和线圈都是不理想的，都有损耗产生，再加上运行频率非常高的情况下，会产生很大的影响，因此我们需要建立一个实际情况下的变压器的等效模型进行分析。忽略电阻与电容寄生参数的影响，我们建立以下变压器等效模型:图3.3 变压器等效模型将变压器二次侧折合到一次侧得到的等效模型如下如所示:图3.4 二次侧折合后的变压器的等效模型这
40、样可求得实际变压器的变比为 （3-19）原副边比例为1:17.543.2.2 变压器铁心和绕组a) 变压器磁芯选型铁氧体材料工作在高频下有很多突出的优点，电阻率高、较低的涡流损耗、还有价格便宜的优点等。如果要工作在高压和大功率水平，一般选用UU，UI的磁芯。但是考虑到本课题研究的变压器室升压式的，绕组比较多，因此选用UU型的磁芯。本课题采用金宁公司的U16磁芯，如下图所示：图3.5 磁芯参数如下所示：b）绕组匝数设计本课题设计的高频变压器，它的原边匝数最少数N1由以下公式可求得： （3-20）最小开关频率可以取为20kHz，变压器的副边电压，磁芯的横截面面积，铁氧体的磁感应强度取为0.45T。
41、则匝，原边匝数N1为18匝，变压器的副边匝数，N2应该取为316匝，N3应该取为1匝。第四章 LLC谐振开关电源控制系统的研究本文应用PIC单片机dsPIC30F2020为核心，实现LLC谐振软开关电源的数字智能控制。其中，控制系统的结构框图如下图所所示。图4.1 LLC谐振电源控制系统框图4.1 控制系统硬件电路4.1.1 功率检测本文中采用检测输入电流的方式实现对功率的检测，根据检测到的电流大小对电源进行闭环控制。检测输入端电流如图4.2所示。如图4.2所示，若要检测电流大小，我们常常串联一个电阻在输入电流回路中，这二个电阻的作用是对电流进行采样。这样，我们要检测电源输入电流只需要检测R1
42、两端电压就可以了，由此可得输入电流大小整流后为IR1=UR1/R1。为了使得电路稳定运行所以R1取值应非常的小，由此可以减小检测电阻对电路电流的影响。 (4-1)运放的输出端接到单片机PIC30F2020的AD转换引脚，对输入电流的大小进行检测。图4.2 功率检测电路4.1.2 单片机的选择及其介绍选用PIC30F2020作为所研究电源控制系统的主控芯片。与微波炉控制板的通信需要读取功率控制信号，这就需要用到单片机的中断资源和定时器资源。(1)性能介绍28引脚双列直插式的PIC30F2020单片机的引脚图如图4.3所示。图4.3 PIC30F2020单片机的引脚图其引脚功能汇总如表4.1、4.
43、2所示：表4.1 PIC30F2020的引脚功能汇总（一）表4.2 PIC30F2020的引脚功能汇总（二）PIC30F2020具有高性能CPU内核：它有字长为24位的内核指令和23位宽的程序计数器。这样一来，PC的寻址空间最大可以达到4M指令字。使用DO和REPEAT指令，支持无循环计数管理开销的程序循环结构，而DO和REPEAT这两条指令在任何时候都可被中断。PIC16F684单片机的特殊性能：高性能改进的RISC CPUl 改进型哈佛结构l C编译器优化的指令集架构l 83条具有灵活寻址模式的基本指令l 24宽指令，16位宽数据总线l 12KB片上闪存程序存储空间l 512字节上数据RA
44、Ml 16*16位工作寄存器阵列l 工作速度最高为30MIPS两个内部RC:9.7和14.55MHz （1%）（工业级温度）6.4和9.7MHz （1%）（扩展级温度）带有480MHzVCO的32X PLLPLL输入的变化范围为3%外部EC时钟6.0至14.55MHzHS晶振模式6.0至14.55 MHzl 32个中断源l 3个外部中断源l 每个中断具有8个可有用户选择的优先级l 4个处理器异常和软件陷阱外设特性：l 高灌/拉电流I/O引脚：25mA/25mAl 3个16位定时器/计数器l 一个16位捕捉输入功能引脚l 两个16位比较/PWM输出功能引脚可提供双比较模式l 3线SPI模块l I2C模块支持多主器件/从模式和7位/10位寻址l UART模块：支持RS-232、RS-485和LIN1.2支持带有片上硬件编码器的LrDA起始位自动唤醒自动波特率检测4级F
