触发管在高压开关电源保护电路中的应用

.触发管在高压开关电源保护电路中的应用摘要：触发管是利用气体放电而实现各种不同应用目的的器件，这里介绍了触发管在高压开关电源保护电路中的应用。首先分析了触发管的结构及工作原理，然后介绍了两类基于触发管的高压开关电源保护电路，包括负载保护电路和电源自身保护电路。以行波管电源为例，分别分析了这两类保护电路的结构及工作原理。最后，通过实验验证了其保护功能。实验证明，触发管以其快速的反应能力，有效地解决了高压开关电源因反馈控制延时带来的过压保护问题。关键词：触发管；高压；保护电路1 引言触发管是利用管内气体介质在外加电场的作用下产生放电而实现各种不同应用目的的器件。根据管内气体压力的不同可分为充气触发管和真空触发管两类，其工作机理基本相同。触发管大多作为脉冲功率装置中大功率通断开关以及过电压与过电流保护的通断开关。最典型的应用是行波管保护电路。触发管因其快速反应能力，不但能用于保护行波管这一类特性不稳定的负载，还可用于保护高压开关电源本身，解决了开关电源由于反馈控制延时带来的过压保护问题。2 触发管的结构及工作原理以冷阴极触发管为例来介绍触发管的基本工作原理。典型冷阴极触发管是一种陶瓷金属(或玻璃金属)封装的三电极充气开关器件，能在短时间内控制导通一定的电流能量。图1示出冷阴极触发管基本结构及电路表示符号。在一个由陶瓷组成的绝缘密封腔内，封装有3个金属电极，分别为触发极T、相邻电极A和相对电极0。其中T位于A的中心孔中间，两者间以陶瓷或玻璃绝缘，以T为基准，环绕在T周围的电极称为A，正对方向的电极称为0，这两者统称为主电极。与此相对应，两者间的间隙称为主间隙，T和0之间的间隙称为触发间隙。密封腔内，充有高气压的单一或混合气体作为工作介质。0和A之间，只有在施加的电压高于某一电压值的情况下才能导通击穿，这个电压称为自击穿电压。正常情况下，主间隙两端施加的电压低于自击穿电压时，触发管不会导通击穿。此时若在T上施加一个具有一定幅值和宽度的触发脉冲，T和A间的触发间隙击穿导通，产生放电，形成主间隙击穿，即触发管导通，主间隙变为近似短路的导电状态，存储在主间隙两端的能量通过此通道被泄放掉。当能量被泄放干净，主间隙间的电压降低到一定数值时，放电不能继续，触发管就会在一个很短的时间内恢复到正常的绝缘状态，这就是一次完整的触发管工作循环。3 触发管的负载保护功能目前，触发管在高压电源中主要用于保护负载，典型的应用是在行波管电路中，用于保护行波管。负载保护包括过压保护和过流保护两种情况。对行波管而言，若出现过压，行波管内部各电极之间就会产生高压击穿现象，即通常所说的“打火”。若螺旋线电流过大，就会将曼波结构的螺旋线烧断，从而损坏行波管，因此必须加以限制，即过流保护。过压故障和过流故障往往同时发生。基于触发管的行波管保护电路通常使用撬棒电路。撬棒电路分为自触发和外触发两种工作方式。前者一般利用行波管打火时电流增大的特性，使电路自身产生撬棒管的触发信号；后者需要有过流检测电路、触发电路等。图2a为典型的外触发方式撬棒电路，C1为储能电容，G1为行波管，G2为触发管，R1，R2为限流电阻。高压电源通常是以负极性方式工作，经过R1，R2向行波管供电。当行波管因某种原因打火时，负载短路，过流检测电路产生的过流信号送至触发回路，触发回路产生高压触发脉冲，加至撬棒管的T。G2导通后C1的绝大部分能量经R1和G2泄放，很小部分能量流过G1，从而保护行波管。图2b示出自触发撬棒电路，G2的T经过限流电阻R3接至负载高压端，A接至R1和R2的公共端，0接地，其中电容器C2用于加速触发脉冲前沿。电路的工作原理是当行波管打火时，行波管内阻很小，回路电流突然增大，R2两端电压升高，高压触发脉冲经R3和C2加至撬棒管的触发极G2导通，促使旁路电容C1中绝大部分能量被泄放，从而保护行波管。4 触发管的电源保护功能触发管能吸收的能量有限，若电源因故障而长时间工作在异常状态(如输出电压过高)，触发管吸收能量过多，势必会因发热而损坏。所以，触发管仅能起到暂时的保护作用，最终要通过电源的调整和控制来排除故障。另一方面，负载电压过高或电流过大，都有可能导致电源器件损坏，最终使系统无法正常工作。因此在使用触发管保护负载时，还要考虑对电源本身的保护问题。下面分析开关电源的自身保护机理。开关电源在开环状态下，电压增益M随着负载的变化而变化。图3a示出并联谐振倍压变换器电路的增益特性曲线。f为归一化的工作频率，不同曲线对应不同的负载。在闭环条件下，若增益发生变化，驱动控制电路会在下一个开关周期开始对电路的占空比或频率进行调整，这种调整过程可能持续好几个开关周期。开关电源的稳压控制示意图如图3b所示。图3a中，工作点A的电压增益为M1，对应的负载条件为Q1。如果负载条件由Q1变为Q2(负载电流减小)，在开环状态下，工作点将从A点跳变到B点，电压增益将明显增加。但通过开关电源的反馈控制，f增加，使电路工作在C点，则增益仍保持M1不变。因此正常条件下，即使负载发生变化，也不会出现过压问题。但反馈电路的调整功能需要一定时间。调整速度首先与开关电源的工作频率有关，调整过程至少需要一个甚至多个完整的工作周期。另外信号从取样到调整完成，中间有一定的延时。设调整时间TA=nTs+TD，Ts为开关信号的周期，TD为取样到反馈的延时，n为调整所需开关周期数。设从故障出现开始，电压上升到安全门限的时间为TK。若TATK，输出端将会出现过压，使负载和电源产生危险。如图4a所示，假设电路从A点开始出现故障，电压开始上升，沿ABCD的路径发展。如果电路为开环状态，经TK后将到达安全门限(图中C点)，使电路发生危险。如果电路为闭环状态，反馈控制电路经过TA时间后，开始将电压减小，并最终达到正常值。只要TATK，电路就不会出现危险。但有些负载，如行波管，负载变化速度非常快，以至于TKTA，在反馈电路起作用前，电压已经达到安全门限，并发生危险，如图4b所示。在此情况下，触发管将很好地解决这个问题。触发管击穿速度非常快，一般在纳秒级。故障发生后，触发管在远小于TK的时间内发生击穿，使输出电压保持一个较低的电压值，并保持到TA以后，如图4b中AE路径。TA以后，开关电源的稳压控制功能开始起作用，将电压下降到正常值，触发管任务完成。选择触发管时，应保证至少在TA时间内，触发管可一直吸收电源能量而不会损坏。5 触发管保护功能的实验验证实验电路原理如图5所示。实际行波管故障的发生具有不确定性，不便于实验，在此用触发管G2模拟行波管负载。该电路工作原理为：脉冲发生器产生一个触发脉冲加到G2触发极触发G2导通，G2导通一次相当于发生了一次行波管高压击穿，G2导通后，C2通过G2，R3，R4形成放电回路，在R3上产生一个高压脉冲触发G1导通，G1导通后可迅速泄放C1上能量，保护行波管和电源不受损坏。实验中，在撬棒电路的输入端加上直流高压，输入电压Uin从36 kV变化到54 kV。然后通过示波器检测触发管上的电压u、触发管电流i和负载电流iL，其波形如图6所示。由图可知，当Uin=36 kV时，触发管的导通延迟时间为t=t1-t2=4878 ns，完全可以在电压上升到安全门限前将其限制。触发管只要工作几十个微秒，开关稳压电源的反馈控制起作用，其使命就完成了。所以实际的触发管所吸收的功率虽