1引言

觸發(fā)管是利用管內(nèi)氣體介質(zhì)在外加電場的用途下出現(xiàn)放電而實現(xiàn)各種不同應用目的的器件。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(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器件，能在短時間內(nèi)控特種通一定的電流能量。

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，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，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，出現(xiàn)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(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)管在高壓電源中重要用于保護負載，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(xiàn)過壓，行波管內(nèi)部各電極之間就會出現(xiàn)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。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，使電路自身出現(xiàn)撬棒管的觸發(fā)信號；后者要有過流檢測電路、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(jīng)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，過流檢測電路出現(xiàn)的過流信號送至觸發(fā)回路，觸發(fā)回路出現(xiàn)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(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用途，最終要通過電源的調(diào)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(tǒng)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(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，不同曲線對應不同的負載。

在閉環(huán)條件下，若增益發(fā)生變化，驅(qū)動控制電路會在下一個開關周期開始對電路的占空比或頻率進行調(diào)整，這種調(diào)整過程可能持續(xù)好幾個開關周期。開關電源的穩(wěn)壓控制示意圖如圖3b所示。

圖3a中，工作點A的電壓增益為M1，對應的負載條件為Q1。假如負載條件由Q1變?yōu)镼2(負載電流減小)，在開環(huán)狀態(tài)下，工作點將從A點跳變到B點，電壓增益將明顯新增。但通過開關電源的反饋控制，f新增，使電路工作在C點，則增益仍保持M1不變。因此正常條件下，即使負載發(fā)生變化，也不會出現(xiàn)過壓問題。

但反饋電路的調(diào)整功能要一按時間。調(diào)整速度首先與開關電源的工作頻率有關，調(diào)整過程至少要一個甚至多個完整的工作周期。另外信號從取樣到調(diào)整完成，中間有一定的延時。設調(diào)整時間TA=nTs+TD，Ts為開關信號的周期，TD為取樣到反饋的延時，n為調(diào)整所需開關周期數(shù)。

設從故障出現(xiàn)開始，電壓上升到安全門限的時間為TK。若TATK，輸出端將會出現(xiàn)過壓，使負載和電源出現(xiàn)危險。

如圖4a所示，假設電路從A點開始出現(xiàn)故障，電壓開始上升，沿A→B→C→D的路徑發(fā)展。假如電路為開環(huán)狀態(tài)，經(jīng)TK后將到達安全門限(圖中C點)，使電路發(fā)生危險。假如電路為閉環(huán)狀態(tài)，反饋控制電路經(jīng)過TA時間后，開始將電壓減小，并最終達到正常值。只要TA

但有些負載，如行波管，負載變化速度非常快，以至于TK<

在此情況下，觸發(fā)管將很好地解決這個問題。觸發(fā)管擊穿速度非?？?，一般在納秒級。故障發(fā)生后，觸發(fā)管在遠小于TK的時間內(nèi)發(fā)生擊穿，使輸出電壓保持一個較低的電壓值，并保持到TA以后，如圖4b中A→E路徑。TA以后，開關電源的穩(wěn)壓控制功能開始起用途，將電壓下降到正常值，觸發(fā)管任務完成。選擇觸發(fā)管時，應保證至少在TA時間內(nèi)，觸發(fā)管可一直吸收電源能量而不會損壞。

5觸發(fā)管保護功能的實驗驗證

實驗電路原理如圖5所示。實際行波管故障的發(fā)生具有不確定性，不便于實驗，在此用觸發(fā)管G2模擬行波管負載。該電路工作原理為：脈沖發(fā)生器出現(xiàn)一個觸發(fā)脈沖加到G2觸發(fā)極觸發(fā)G2導通，G2導通一次相當于發(fā)生了一次行波管高壓擊穿，G2導通后，C2通過G2，R3，R4形成放電回路，在R3上出現(xiàn)一個高壓脈沖觸發(fā)G1導通，G1導通后可迅速泄放C1上能量，保護行波管和電源不受損壞。

實驗中，在撬棒電路的輸入端加上直流高壓，輸入電壓Uin從3．6kV變化到5．4kV。然后通過示波器檢測觸發(fā)管上的電壓u、觸發(fā)管電流i和負載電流iL，其波形如圖6所示。

由圖可知，當Uin=3．6kV時，觸發(fā)管的導通延遲時間為△t=t1-t2=4．87．8ns，完全可以在電壓上升到安全門限前將其限制。觸發(fā)管只要工作幾十個微秒，開關穩(wěn)壓電源的反饋控制起用途，其使命就完成了。所以實際的觸發(fā)管所吸收的功率雖然很高，但由于時間短暫，其消耗的能量并不大，不會因熱效應而損壞。

6結(jié)論

以上分析過程中，都是以行波管作為負載來介紹的。實際上，對負載的保護不一定局限于行波管。行波管是高壓電源中極不穩(wěn)定的負載，觸發(fā)管能實現(xiàn)對行波管負載保護，也可以實現(xiàn)其他高壓負載保護。通過合理設定參數(shù)，觸發(fā)管不但可以保護負載，還可以保護電源本身的安全。