觸發(fā)管在高壓開關(guān)電源保護(hù)電路中的應(yīng)用

摘要：觸發(fā)管是利用氣體放電而實(shí)現(xiàn)各種不同應(yīng)用目的的器件，這里介紹了觸發(fā)管在高壓開關(guān)電源保護(hù)電路中的應(yīng)用。首先分析了觸發(fā)管的結(jié)構(gòu)及工作原理，然后介紹了兩類基于觸發(fā)管的高壓開關(guān)電源保護(hù)電路，包括負(fù)載保護(hù)電路和電源自身保護(hù)電路。以行波管電源為例，分別分析了這兩類保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)及工作原理。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其保護(hù)功能。實(shí)驗(yàn)證明，觸發(fā)管以其快速的反應(yīng)能力，有效地解決了高壓開關(guān)電源因反饋控制延時帶來的過壓保護(hù)問題。

關(guān)鍵詞：觸發(fā)管；高壓；保護(hù)電路

1 引言

觸發(fā)管是利用管內(nèi)氣體介質(zhì)在外加電場的作用下產(chǎn)生放電而實(shí)現(xiàn)各種不同應(yīng)用目的的器件。根據(jù)管內(nèi)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，其工作機(jī)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關(guān)以及過電壓與過電流保護(hù)的通斷開關(guān)。最典型的應(yīng)用是行波管保護(hù)電路。

觸發(fā)管因其快速反應(yīng)能力，不但能用于保護(hù)行波管這一類特性不穩(wěn)定的負(fù)載，還可用于保護(hù)高壓開關(guān)電源本身，解決了開關(guān)電源由于反饋控制延時帶來的過壓保護(hù)問題。

2 觸發(fā)管的結(jié)構(gòu)及工作原理

以冷陰極觸發(fā)管為例來介紹觸發(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關(guān)器件，能在短時間內(nèi)控制導(dǎo)通一定的電流能量。

圖1示出冷陰極觸發(fā)管基本結(jié)構(gòu)及電路表示符號。在一個由陶瓷組成的絕緣密封腔內(nèi)，封裝有3個金屬電極，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的中心孔中間，兩者間以陶瓷或玻璃絕緣，以T為基準(zhǔn)，環(huán)繞在T周圍的電極稱為A，正對方向的電極稱為0，這兩者統(tǒng)稱為主電極。與此相對應(yīng)，兩者間的間隙稱為主間隙，T和0之間的間隙稱為觸發(fā)間隙。密封腔內(nèi)，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(dǎo)通擊穿，這個電壓稱為自擊穿電壓。正常情況下，主間隙兩端施加的電壓低于自擊穿電壓時，觸發(fā)管不會導(dǎo)通擊穿。此時若在T上施加一個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(dǎo)通，產(chǎn)生放電，形成主間隙擊穿，即觸發(fā)管導(dǎo)通，主間隙變?yōu)榻贫搪返膶?dǎo)電狀態(tài)，存儲在主間隙兩端的能量通過此通道被泄放掉。當(dāng)能量被泄放干凈，主間隙間的電壓降低到一定數(shù)值時，放電不能繼續(xù)，觸發(fā)管就會在一個很短的時間內(nèi)恢復(fù)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(fù)載保護(hù)功能

目前，觸發(fā)管在高壓電源中主要用于保護(hù)負(fù)載，典型的應(yīng)用是在行波管電路中，用于保護(hù)行波管。負(fù)載保護(hù)包括過壓保護(hù)和過流保護(hù)兩種情況。對行波管而言，若出現(xiàn)過壓，行波管內(nèi)部各電極之間就會產(chǎn)生高壓擊穿現(xiàn)象，即通常所說的“打火”。若螺旋線電流過大，就會將曼波結(jié)構(gòu)的螺旋線燒斷，從而損壞行波管，因此必須加以限制，即過流保護(hù)。過壓故障和過流故障往往同時發(fā)生。

基于觸發(fā)管的行波管保護(hù)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(fù)極性方式工作，經(jīng)過R1，R2向行波管供電。當(dāng)行波管因某種原因打火時，負(fù)載短路，過流檢測電路產(chǎn)生的過流信號送至觸發(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(dǎo)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G1，從而保護(hù)行波管。

圖2b示出自觸發(fā)撬棒電路，G2的T經(jīng)過限流電阻R3接至負(fù)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(dāng)行波管打火時，行波管內(nèi)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(dǎo)通，促使旁路電容C1中絕大部分能量被泄放，從而保護(hù)行波管。

4 觸發(fā)管的電源保護(hù)功能

觸發(fā)管能吸收的能量有限，若電源因故障而長時間工作在異常狀態(tài)(如輸出電壓過高)，觸發(fā)管吸收能量過多，勢必會因發(fā)熱而損壞。所以，觸發(fā)管僅能起到暫時的保護(hù)作用，最終要通過電源的調(diào)整和控制來排除故障。另一方面，負(fù)載電壓過高或電流過大，都有可能導(dǎo)致電源器件損壞，最終使系統(tǒng)無法正常工作。因此在使用觸發(fā)管保護(hù)負(fù)載時，還要考慮對電源本身的保護(hù)問題。下面分析開關(guān)電源的自身保護(hù)機(jī)理。

開關(guān)電源在開環(huán)狀態(tài)下，電壓增益M隨著負(fù)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。f為歸一化的工作頻率，不同曲線對應(yīng)不同的負(fù)載。