觸發(fā)管在高壓開(kāi)關(guān)電源保護電路中的應用

摘要：觸發(fā)管是利用氣體放電而實(shí)現各種不同應用目的的器件，這里介紹了觸發(fā)管在高壓開(kāi)關(guān)電源保護電路中的應用。首先分析了觸發(fā)管的結構及工作原理，然后介紹了兩類(lèi)基于觸發(fā)管的高壓開(kāi)關(guān)電源保護電路，包括負載保護電路和電源自身保護電路。以行波管電源為例，分別分析了這兩類(lèi)保護電路的結構及工作原理。最后，通過(guò)實(shí)驗驗證了其保護功能。實(shí)驗證明，觸發(fā)管以其快速的反應能力，有效地解決了高壓開(kāi)關(guān)電源因反饋控制延時(shí)帶來(lái)的過(guò)壓保護問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：觸發(fā)管；高壓；保護電路

1 引言

觸發(fā)管是利用管內氣體介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生放電而實(shí)現各種不同應用目的的器件。根據管內氣體壓力的不同可分為充氣觸發(fā)管和真空觸發(fā)管兩類(lèi)，其工作機理基本相同。觸發(fā)管大多作為脈沖功率裝置中大功率通斷開(kāi)關(guān)以及過(guò)電壓與過(guò)電流保護的通斷開(kāi)關(guān)。最典型的應用是行波管保護電路。

觸發(fā)管因其快速反應能力，不但能用于保護行波管這一類(lèi)特性不穩定的負載，還可用于保護高壓開(kāi)關(guān)電源本身，解決了開(kāi)關(guān)電源由于反饋控制延時(shí)帶來(lái)的過(guò)壓保護問(wèn)題。

2 觸發(fā)管的結構及工作原理

以冷陰極觸發(fā)管為例來(lái)介紹觸發(fā)管的基本工作原理。典型冷陰極觸發(fā)管是一種陶瓷金屬(或玻璃金屬)封裝的三電極充氣開(kāi)關(guān)器件，能在短時(shí)間內控制導通一定的電流能量。

圖1示出冷陰極觸發(fā)管基本結構及電路表示符號。在一個(gè)由陶瓷組成的絕緣密封腔內，封裝有3個(gè)金屬電極，分別為觸發(fā)極T、相鄰電極A和相對電極0。

其中T位于A(yíng)的中心孔中間，兩者間以陶瓷或玻璃絕緣，以T為基準，環(huán)繞在T周?chē)碾姌O稱(chēng)為A，正對方向的電極稱(chēng)為0，這兩者統稱(chēng)為主電極。與此相對應，兩者間的間隙稱(chēng)為主間隙，T和0之間的間隙稱(chēng)為觸發(fā)間隙。密封腔內，充有高氣壓的單一或混合氣體作為工作介質(zhì)。

0和A之間，只有在施加的電壓高于某一電壓值的情況下才能導通擊穿，這個(gè)電壓稱(chēng)為自擊穿電壓。正常情況下，主間隙兩端施加的電壓低于自擊穿電壓時(shí)，觸發(fā)管不會(huì )導通擊穿。此時(shí)若在T上施加一個(gè)具有一定幅值和寬度的觸發(fā)脈沖，T和A間的觸發(fā)間隙擊穿導通，產(chǎn)生放電，形成主間隙擊穿，即觸發(fā)管導通，主間隙變?yōu)榻贫搪返膶щ姞顟B(tài)，存儲在主間隙兩端的能量通過(guò)此通道被泄放掉。當能量被泄放干凈，主間隙間的電壓降低到一定數值時(shí)，放電不能繼續，觸發(fā)管就會(huì )在一個(gè)很短的時(shí)間內恢復到正常的絕緣狀態(tài)，這就是一次完整的觸發(fā)管工作循環(huán)。

3 觸發(fā)管的負載保護功能

目前，觸發(fā)管在高壓電源中主要用于保護負載，典型的應用是在行波管電路中，用于保護行波管。負載保護包括過(guò)壓保護和過(guò)流保護兩種情況。對行波管而言，若出現過(guò)壓，行波管內部各電極之間就會(huì )產(chǎn)生高壓擊穿現象，即通常所說(shuō)的“打火”。若螺旋線(xiàn)電流過(guò)大，就會(huì )將曼波結構的螺旋線(xiàn)燒斷，從而損壞行波管，因此必須加以限制，即過(guò)流保護。過(guò)壓故障和過(guò)流故障往往同時(shí)發(fā)生。

基于觸發(fā)管的行波管保護電路通常使用撬棒電路。撬棒電路分為自觸發(fā)和外觸發(fā)兩種工作方式。前者一般利用行波管打火時(shí)電流增大的特性，使電路自身產(chǎn)生撬棒管的觸發(fā)信號；后者需要有過(guò)流檢測電路、觸發(fā)電路等。

圖2a為典型的外觸發(fā)方式撬棒電路，C1為儲能電容，G1為行波管，G2為觸發(fā)管，R1，R2為限流電阻。高壓電源通常是以負極性方式工作，經(jīng)過(guò)R1，R2向行波管供電。當行波管因某種原因打火時(shí)，負載短路，過(guò)流檢測電路產(chǎn)生的過(guò)流信號送至觸發(fā)回路，觸發(fā)回路產(chǎn)生高壓觸發(fā)脈沖，加至撬棒管的T。G2導通后C1的絕大部分能量經(jīng)R1和G2泄放，很小部分能量流過(guò)G1，從而保護行波管。

圖2b示出自觸發(fā)撬棒電路，G2的T經(jīng)過(guò)限流電阻R3接至負載高壓端，A接至R1和R2的公共端，0接地，其中電容器C2用于加速觸發(fā)脈沖前沿。電路的工作原理是當行波管打火時(shí)，行波管內阻很小，回路電流突然增大，R2兩端電壓升高，高壓觸發(fā)脈沖經(jīng)R3和C2加至撬棒管的觸發(fā)極G2導通，促使旁路電容C1中絕大部分能量被泄放，從而保護行波管。

4 觸發(fā)管的電源保護功能

觸發(fā)管能吸收的能量有限，若電源因故障而長(cháng)時(shí)間工作在異常狀態(tài)(如輸出電壓過(guò)高)，觸發(fā)管吸收能量過(guò)多，勢必會(huì )因發(fā)熱而損壞。所以，觸發(fā)管僅能起到暫時(shí)的保護作用，最終要通過(guò)電源的調整和控制來(lái)排除故障。另一方面，負載電壓過(guò)高或電流過(guò)大，都有可能導致電源器件損壞，最終使系統無(wú)法正常工作。因此在使用觸發(fā)管保護負載時(shí)，還要考慮對電源本身的保護問(wèn)題。下面分析開(kāi)關(guān)電源的自身保護機理。

開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，電壓增益M隨著(zhù)負載的變化而變化。圖3a示出并聯(lián)諧振倍壓變換器電路的增益特性曲線(xiàn)。f為歸一化的工作頻率，不同曲線(xiàn)對應不同的負載。