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(shí)帶來的過壓保護(hù)問題。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177205.htm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(chǎng)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(shí)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(shí)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(hào)。在一個(gè)由陶瓷組成的絕緣密封腔內(nèi),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(duì)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(duì)方向的電極稱為0,這兩者統(tǒng)稱為主電極。與此相對(duì)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(gè)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(shí),觸發(fā)管不會(huì)導(dǎo)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(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(chǔ)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(shí),放電不能繼續(xù),觸發(fā)管就會(huì)在一個(gè)很短的時(shí)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(duì)行波管而言,若出現(xiàn)過壓,行波管內(nèi)部各電極之間就會(huì)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(huì)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(shí)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(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(hào);后者需要有過流檢測(cè)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(chǔ)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(shí),負(fù)載短路,過流檢測(cè)電路產(chǎn)生的過流信號(hào)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(shí),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(zhǎng)時(shí)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(shì)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(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(shí),還要考慮對(duì)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(duì)應(yīng)不同的負(fù)載。
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