微波电源原理

MX4000D-111KL微波电源工作原理概述MX4000D-111KL微波电源是德国MUEGGE公司制造，它与MUEGGE MH2000S-218BB微波功率发生器（又称微波头）组成微波功率发生和控制系统，应用于PECVD设备中的专用产品。它的系统设计方案与性能特征最终是对微波头正常工作实现有效的控制和调整，故在描述微波电源工作原理时，本文紧紧围绕如何实现对微波头的工作进行实时控制和安全保护，进行原理性介绍，力图让操作使用者从系统技术原理上初步了解电路的物理工作过程。

1、微波功率系统组成及工作过程

如图1-1所示：

当操作者通过安装了CAN-BUS用户应用程序计算机显示界面，设定好微波功率系统的工作参数指令，例如：峰值功率3KW 功率开启时向8ms 关断时间18ms，被MX4000D-111KL微波电源系统CPU控制模块接收。经CPU 译码解析，转换为微波电源对微波头的控制命令，这时微波电源的主要工作任务如下：

给微波头磁控管电路提供电力能量。通过图1-1中X2线缆接口向微波头

X1接口输入交流～220V电压源。

●控制微波头磁控管灯丝电路继电器的吸合加电流的加热启动。也是通过X2线缆接口。

●给微波头磁控管阴极提供受控的负直流高压，使得磁控管产生的微波开关时间状态和功率数值始终符合操作者设定的指令要求值。

●经X3接受微波头微波功率经取样检波后的功率电平反馈信号，被CPU控制主板读取并运算后处理。由CAN总线译码传输至计算机显示界面，显示当前微波系统的功率数值，反射驻波系数等参数值。每个开关时间周期（约25ms）更新数据一次。

●实时监控微波头磁控管工作温度，功率输出状态及传输损耗，一旦出现异常，立即启动中断保护程序，切断供电电源。

●微波电源高压系统本身自动保护始终处于正常工作状态，一旦出现异常，立即启动中断保护程序，切断系统供电电源。

2、微波电源系统组成和工作原理

如图2-0所示，图中标示符号“A”“K”“X”与MX4000D-111KL微波电源面板及内部电路模块的标示一致，读者可与产品实物对照阅读。

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图2-0 微波电源系统组成柜图

3X380V/50Hz/8A 三相及单相220V/50Hz/2A 电压源经X1电源插座进入输入滤波电路A1、A1电路如图2-1示：

图中L1-L6为滤波电感，C1-C12为滤波电容，V1-V3为压敏电阻，三相电源经A1电路后，将滤除电网上可能出现的高次谐波和尖锋脉冲进入电源设备，同时微波电源系统工作产生的高压脉冲谐波、数字化噪声，经过滤波电路抑制，大大降低了对工业电网的污染。A1电路是电器设备执行电源抗扰度和骚扰度电磁兼容标准而设计的。

K1为三相交流接触器，经K1耦合至电路A2，A2为三相全桥检波整流电路，如图2-2所示：

图2-2 三相全桥检波整流电路柜图

L A L B L C PE L 1

L

L A ’ L B ’ L C ’ A1模块 PE

三相电源输入检波整流柜全

桥整流输出

A B C

带有电压的纹波直流电压

A2输出是一个有纹波波动的直流电压，该直流电源经A3滤波电路，送入高压逆变功率产生电路A4。如图2-3所示：

如图2-3电路，来自脉冲宽度调制运算电路模块A8输出的双路具有矢量关系的脉冲波形（如图2-3中3.4脚）输入A4隔离分相输入变压的T, 耦合至功率驱动电路，经驱动电路获得足够的驱动电压，使得功率产生电路工作压开关状态，产生频率为15～25KHz的脉冲，幅度能达到供应功率产生电路模块（IGBT）供电电压的上下限值，其输出功率的能力能达4.4KW。如图2-3中5脚，取样电感L,将A8输出的功率分量取样，送至A8电路模块由行处理运算，即时控制调整送给A4模块的矢量脉冲的频率。

A4模块输出的高频高压脉冲经L1滤波稳流电感将高频高压脉冲的高次谐波分量过滤样，取出其15KHz～25KHz基波正弦波进入到高压产生电路模块A5，A5的功能是提供微波头磁控管阴极需要的直流负高压，磁控管受阴极负高压在磁控管磁路作用下，产生2450MHz频率最大4.4KW功率的微波，高压产生电路模块A5电路框图如图2-4：

图2-4高压产生电路框图

经L1输入的频率为15～25KHz的正弦波通过L2和C1耦合至升压变压电器L3和L4，再通过L3和L4次级绕组感应的电流电压经D1～D6全桥整流检波形成一负极性的直流高压，D1～D6依次串联形成6倍压电路。在6倍压串联储能电容Co的作用下，使其D6输出端(即图2-4中第2脚)得到直流负高压-Vdc。图2-4中输出脚3为高压产生电路输出功率取样电平值，输出的6倍在高压电流同样流过R4 高精密电阻，在R4电阻上得到的取样电平值Uw 与输出的功率能量存在着高度一致的数学比例关系，该取样电压值Uw随时反应其输出给磁控管的阴极电压和电流功率（能量值）。图5-4中输出脚4和5，分别是Udc的高压的两个取样值，在电路系统的设计中分别定义为U DC的取样电压值Uv和电流值Ui。实时获取的Uv，Ui和Uw三个取样参数值将参与以后经过的模块电路电平调整处理与运算。

A5高压模块当前产生的高压功率取样值Uw及电压电流取样值Uv和Ui 输入至功率取样电路A12，其框图如图2-5：

图2-5 功率取样处理电路

经运算和处理的功率参数值U’v 和U’I 已经是精确反应直流高压产生电路A5当前输出给磁控管的电压和电流工作状态，而且其电平参数值已调理到与下一组处理模块电平适配。

U ’v 和U’i 输入至下一级电路模块脉冲宽度调节PWM 电路模块A8，A8电路电框图如图2-6：

图2-6 脉冲宽度调节PWM 电路框图

脉冲宽度可变失量脉冲输出送至A4功率产生模块

U ′V U ′I

U I U W

脉冲宽度调节控制电路A8模块可以说是微波电源系统执行CPU控制指令的处理中心，控制机理较为复杂，其工作过程如下：

操作者一旦设定了功率值、功率开启和关断时间，CPU即输出一初始码，经CPU模块控制下的数模转换及控制模块A7中D/A转换为一模块初始控制电平，使PWM电路产生初始振荡，振荡频率设定在约25KHz，经A8第7、8脚输出一矢量脉冲波形。如图2-7，其产生的矢量脉冲波驱动A4功率产生模块。产生功率高压脉冲波形。

此初始的振荡波形（图2-7所示）经A8模块处理后从5脚输出，输入至数据转换及缓冲模块A7，经A7模块处理后输入到A9CPU模块.(A7、A9模块功能将在后续描述)，经CPU内建的A/D转换成数字码与设定的功率值产生的数字码比较，小于其设定的数字码，CPU程序自动将检测到的初始码加1，经A7模块中D/A送出一个增加的电平值，此电平值从A8第4脚输入，自动调节A8模块的振荡频率，使其频率下降一个值，再将此下降的一个频率值经A8第5脚送入A7，数字化后再在CPU内运算比较，如此周而复始，直至与设定的功率电平数字密码相同，此时A8模块振荡产生的矢量脉冲频率一步步地下降至15KHz左右，操作者在设定功率值未更新之前，此矢量脉冲频

率值将得以维持不变。见图2-8：

从图2-6中第3脚获取A11模块来自微波头微波功率反射取样电平U’w,参与对脉冲宽度的调节控制，当微波头功率传输反射增大时，实际上就等于微波头实际输出功率减小，在U’w的参与下，A8输出的脉冲宽度将会增加，U’w同时通过A8第5脚传输到A7，经A7适配处理送CPU模块数字化处理（A/D转换），由CPU对其进行微波反馈的运算，运算结果由CAN总线传输至计算机显示屏界面，读出当前微波反射系数值，于此同时U’v和V’I经A8模块乘法器运算得到的功率电平值也是通过第5脚输出至CPU模块，数字化后由CPU对其进行微波功率值的运算，运算结果也由CAN总线传输至计算机显示屏，由显示界面读出当前微波功率值。

微波反射功率取样模块A11其功能就是将微波头微波发射传输中因失配造成的驻波反射经取样检波得到的反射电平U’w送A8运算处理。其电路框

图如图2-9：

图2-9 微波功率反射取样电路柜图

数模转换及控制驱动模块A7是微波电源系统的执行电路，它除了承担前面所述的A9模块CPU控制功率产生的控制字段进行D/A转换外，还承担微波系统的安全运行和故障保护功能的执行：

·CPU模块检测到微波系统微波输出功率偏离设定值；

·CPU模块检测到功率产生模块A4循环水冷却水温高于设定值；

·CPU模块检测到微波头磁控管循环水冷却水温高于设定值；

以上异常只要出现一个，CPU立即进入中断保护程序，发出保护指令码，经A7 D/A转换为模块保护电平驱动K1和F2（见系统侧框图2-0），切断三相供电电源和切段功率产生电路A4供电电源。

CPU监控模块A9是微波电源和整个功率微波产生系统的控制核心，CPU 内的控制程序按照CAN总线程序指令，调用相应内部控制指令，对整个微波功率产生系统运行实时监控（参见图2-0中A9和A10模块）。