用于柵控行波管的全固態快速保護開關

劉志剛，田 為，楊 明

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

隨著雷達技術的發展，對行波管發射機的頻段、功率、脈寬等指標的要求越來越高。行波管技術水平越來越高，行波管價格也越來越昂貴。在實際工作中，行波管內部出現嚴重打火時，若保護不夠及時，就有可能損壞。采用電真空器件作為撬棒保護電路已有論述［1-2］。隨著絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的發展，采用全固態開關器件構成行波管的保護開關成為可能。

本文研制的全固態快速保護開關采用IGBT作為開關器件，用于某大功率柵控行波管。當行波管打火時，能夠快速切斷高壓電源與行波管之間的電流通路，達到快速保護行波管的目的。本行波管基本參數如下:

1)陰極電壓:-50 kV;

2)收集極電壓:-16 kV;

3)陰極電流:15 A;

4)工作比:3%。

1 全固態快速保護開關原理

全固態保護開關由高壓開關、控制單元組成，控制單元包括控制電路、導通/關斷驅動電路、電流檢測電路以及穩壓電源等部分，如圖1所示。

行波管正常工作時，發射機監控系統向全固態保護開關的控制電路送出使能信號，控制電路通過導通驅動電路使得高壓開關處于導通狀態。脈沖間隙期間，高壓電源E1和E2給高壓電容C1和C2充電，產生行波管所需的陰極電壓和收集極電壓;脈沖期間，C1和C2分別通過限流電阻R1、R2和全固態保護開關給行波管供給能量，行波管正常輸出功率。當行波管打火時，通過高壓開關的電流急劇上升，電流檢測電路檢測到很高的脈沖電流值。當電流值超過設定的門限值，控制電路立即關閉高壓開關的驅動信號并送出關斷驅動信號，高壓開關進入關斷狀態，使得高壓電源與行波管之間的通路變成高阻，電流在幾微秒內降到零值;同時，控制電路還向發射機監控系統輸出過流故障連鎖信號，關閉高壓電源E1和E2，從而保護行波管。

圖1中，全固態保護開關的穩壓電源電路為控制電路和驅動電路提供所需的直流電源;燈絲電源及浮動板調制器為行波管正常工作提供燈絲功率和調制脈沖。

圖1 全固態快速保護開關框圖

2 全固態保護開關主要電路

2.1 高壓開關

考慮到保護開關工作電流為15 A，耐電壓值達50 kV，高壓開關采用2 500 V/35 A的小型高速IGBT多管串并聯的方式，解決高壓開關的耐壓和最大工作電流問題［3-4］。考慮冗余，提高可靠性，高壓開關采用44組串聯、每組2個IGBT并聯的方式。圖2為每個組件的示意圖。

圖2 組件示意圖

均壓網絡包括靜態均壓和動態均壓。靜態均壓采用電阻分壓實現。靜態均壓電阻為［5］

式中:n為串聯開關組件的數量;Usmax為單個串聯開關組件允許的最大電壓，取值為所用IGBT最大額定電壓的65%;UDC為保護開關的耐壓值;ICES為開關組件的最大泄漏電流。

動態均壓采用基于瞬態電壓抑制器箝位的峰值控制方法［6-7］，能夠較好抑制高壓開關關斷瞬間產生的浪涌電壓。

2.2 高壓開關導通與關斷

高壓開關導通/關斷原理圖如圖3所示。采用電流互感器傳輸導通信號和關斷信號，并進行高低電位的隔離［8-9］。高壓開關在正常工作情況下，控制電路的SG1525產生兩路導通驅動信號，而后通過隔離放大，由常規的半橋變換電路產生觸發信號;觸發信號通過導通互感器耦合隔離，后經整流濾波穩壓后變成直流電壓，觸發V4和V5，并維持它們一直處于導通狀態。

圖3 高壓開關導通/關斷原理圖

當電流檢測電路檢測到過流，超過門限值判為故障時，控制電路的SG1525關斷，切斷驅動信號的輸出，并產生20 μs的關斷脈沖驅動信號，然后隔離放大，再通過關斷互感器耦合隔離輸出，導通開關管V7，將C1及V4、V5柵源間內的電荷快速泄放，達到快速關斷的目的［8］。為隔離50 kV的高壓，用一根耐壓大于50 kV的高壓線穿過互感器，作為初級。

2.3 電流檢測、穩壓電源

采用電流互感器來檢測行波管打火時的過流信號，其原理圖如圖4所示［5］。互感器直接串在行波管高壓脈沖回路中，用于檢測行波管電流。當行波管打火時，通過高壓開關的電流急劇上升，互感器次級取樣電阻R1上的電壓超過由二極管V1和穩壓管V2組成的基準電壓，可控硅V3導通，送出故障信號給控制電路，由控制電路關斷高壓開關。

圖4 互感器電流取樣檢測

穩壓電源包括輔助電源、導通驅動、關斷驅動電源。穩壓電源通過變壓器、整流、濾波、串聯穩壓來實現。

3.4 應重視日常生活習慣 日常生活中的良好習慣對頸椎病的防治及康復都非常重要。本研究患者評估中發現患者均存在不同程度的生活習慣問題。比如長時間伏案工作和學習、睡眠姿勢異常及枕頭高低不當、頸背部直接受空調或電扇等冷風刺激、長時間上網或電腦工作等都容易導致頸椎病的發生。現代青年人較以往更多地從事曲頸活動，從而人為地加速和加重了頸椎退變，故易引起頸椎病復發［6］。患者入院后應進行系統的護理評估及制定個體化健康教育計劃，并詳細向患者傳授所缺乏的自我護理知識和技術，使患者明確日常生活中的良好習慣對頸椎病的防治及康復都非常重要。

3 結構與功耗

3.1 結構

在實際設計中，全固態保護開關劃分為控制單元、相互對稱放置的兩塊高壓開關，置于由環氧材料制成的結構件內，如圖5所示，實物圖如圖6所示。開關外形尺寸為550 mm×248 mm×50 mm，總重3.5 kg，具有結構緊湊、體積小、維護更換方便等特點。

圖5 全固態保護開關結構示意圖

圖6 全固態保護開關實物圖

3.2 功耗

行波管正常工作時，保護開關工作在導通狀態，所以只考慮導通損耗，導通損耗為

式中:VCE為IGBT導通時的壓降;I為工作電流;n為串聯開關組件的數量;D為工作比。

全固態保護開關整體置于高壓油箱內，通過油箱內絕緣油自然散熱。

4 試驗及特點

4.1 模擬打火實驗

為了驗證保護開關工作的可靠性，在全固態保護開關上機前，進行了模擬行波管打火試驗，實驗框圖如圖7所示。調節放電球隙間隙距離使得打火電壓與行波管工作電壓相當，緩慢升高高壓電源E1和E2的電壓，使得放電球隙打火，模擬行波管打火。電流監測互感器直接串聯在全固態保護開關與模擬負載之間，可實時監測電流，用分壓器可以讀出負載上的電壓。模擬打火試驗波形圖如圖8所示，上部為打火時由分壓器監測的電壓波形，下部為打火時由電流監測互感器監測的電流波形。

圖7 模擬打火試驗框圖

由圖8的電流波形可知，當負載打火時，電流急劇上升，在1 μs之內保護開關切斷電流通路，電流迅速下降。陰極電壓U為-50 kV，打火時電弧電壓V最大約為100 V，R1為40 Ω，R2為100 Ω，C1為2 μF，C2為1 μF，則模擬打火裝置得到的能量約為

式中:t為時間。一般柵控行波管打火時可承受10 J的能量，避免負載因打火造成損害。實際應用表明:在行波管打火時，全固態保護開關有效地保護了行波管。

4.2 特點

5 結束語

通過實驗及實際應用，全固態快速保護開關的性能指標以及可靠性得到了充分驗證。該全固態保護開關具有響應速度快、可靠性高、一致性好、易于擴展等優點，可廣泛應用于柵控行波管等真空管。通過多組件串并聯，實現更高電壓、更大電流的全固態保護開關，應用于速調管、回旋管等真空管發射機，是我們下一步需要研究的內容。

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