觸發(fā)管在高壓開關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)管在高壓開關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，然后介紹了兩類基于觸發(fā)管的高壓開關電源保護電路，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，分別分析了這兩類保護電路的結構及工作原理。最后，通過實驗驗證了其保護功能。實驗證明，觸發(fā)管以其快速的反應能力，有效地解決了高壓開關電源因反饋控制延時帶來的過壓保護問題。

關鍵詞：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在外加電場的作用下產生放電而實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，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關以及過電壓與過電流保護的通斷開關。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特性不穩(wěn)定的負載，還可用于保護高壓開關電源本身，解決了開關電源由于反饋控制延時帶來的過壓保護問題。

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器件，能在短時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。在一個由陶瓷組成的絕緣密封腔內，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，環(huán)繞在T周圍的電極稱為A，正對方向的電極稱為0，這兩者統稱為主電極。與此相對應，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，充有高氣壓的單一或混合氣體作為工作介質。

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)間隙擊穿導通，產生放電，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，放電不能繼續(xù)，觸發(fā)管就會在一個很短的時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。負載保護包括過壓保護和過流保護兩種情況。對行波管而言，若出現過壓，行波管內部各電極之間就會產生高壓擊穿現象，即通常所說的“打火”。若螺旋線電流過大，就會將曼波結構的螺旋線燒斷，從而損壞行波管，因此必須加以限制，即過流保護。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極性方式工作，經過R1，R2向行波管供電。當行波管因某種原因打火時，負載短路，過流檢測電路產生的過流信號送至觸發(fā)回路，觸發(fā)回路產生高壓觸發(fā)脈沖，加至撬棒管的T。G2導通后C1的絕大部分能量經R1和G2泄放，很小部分能量流過G1，從而保護行波管。

圖2b示出自觸發(fā)撬棒電路，G2的T經過限流電阻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，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作用，最終要通過電源的調整和控制來排除故障。另一方面，負載電壓過高或電流過大，都有可能導致電源器件損壞，最終使系統無法正常工作。因此在使用觸發(fā)管保護負載時，還要考慮對電源本身的保護問題。下面分析開關電源的自身保護機理。

開關電源在開環(huán)狀態(tài)下，電壓增益M隨著負載的變化而變化。圖3a示出并聯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，不同曲線對應不同的負載。