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(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(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，出現(xiàn)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)管在高壓電源中重要用于保護(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)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(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，使電路自身出現(xiàn)撬棒管的觸發(fā)信號(hào)；后者要有過流檢測(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)電路出現(xiàn)的過流信號(hào)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(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)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(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。

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

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

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

設(shè)從故障出現(xiàn)開始，電壓上升到安全門限的時(shí)間為TK。若TATK，輸出端將會(huì)出現(xiàn)過壓，使負(fù)載和電源出現(xiàn)危險(xiǎn)。

如圖4a所示，假設(shè)電路從A點(diǎn)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(dá)安全門限(圖中C點(diǎn))，使電路發(fā)生危險(xiǎn)。假如電路為閉環(huán)狀態(tài)，反饋控制電路經(jīng)過TA時(shí)間后，開始將電壓減小，并最終達(dá)到正常值。只要TA

但有些負(fù)載，如行波管，負(fù)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(gè)問題。觸發(fā)管擊穿速度非常快，一般在納秒級(jí)。故障發(fā)生后，觸發(fā)管在遠(yuǎn)小于TK的時(shí)間內(nèi)發(fā)生擊穿，使輸出電壓保持一個(gè)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(guān)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(wù)完成。選擇觸發(fā)管時(shí)，應(yīng)保證至少在TA時(shí)間內(nèi)，觸發(fā)管可一直吸收電源能量而不會(huì)損壞。

5觸發(fā)管保護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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

實(shí)驗(yàn)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(cè)觸發(fā)管上的電壓u、觸發(fā)管電流i和負(fù)載電流iL，其波形如圖6所示。

由圖可知，當(dāng)Uin=3．6kV時(shí)，觸發(fā)管的導(dǎo)通延遲時(shí)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(gè)微秒，開關(guān)穩(wěn)壓電源的反饋控制起用途，其使命就完成了。所以實(shí)際的觸發(fā)管所吸收的功率雖然很高，但由于時(shí)間短暫，其消耗的能量并不大，不會(huì)因熱效應(yīng)而損壞。

6結(jié)論

以上分析過程中，都是以行波管作為負(fù)載來介紹的。實(shí)際上，對(duì)負(fù)載的保護(hù)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(fù)載，觸發(fā)管能實(shí)現(xiàn)對(duì)行波管負(fù)載保護(hù)，也可以實(shí)現(xiàn)其他高壓負(fù)載保護(hù)。通過合理設(shè)定參數(shù)，觸發(fā)管不但可以保護(hù)負(fù)載，還可以保護(hù)電源本身的安全。