用于柵控行波管的全固態(tài)快速保護(hù)開(kāi)關(guān)

劉志剛，田 為，楊 明

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)行波管發(fā)射機(jī)的頻段、功率、脈寬等指標(biāo)的要求越來(lái)越高。行波管技術(shù)水平越來(lái)越高，行波管價(jià)格也越來(lái)越昂貴。在實(shí)際工作中，行波管內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重打火時(shí)，若保護(hù)不夠及時(shí)，就有可能損壞。采用電真空器件作為撬棒保護(hù)電路已有論述［1-2］。隨著絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的發(fā)展，采用全固態(tài)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成行波管的保護(hù)開(kāi)關(guān)成為可能。

本文研制的全固態(tài)快速保護(hù)開(kāi)關(guān)采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，用于某大功率柵控行波管。當(dāng)行波管打火時(shí)，能夠快速切斷高壓電源與行波管之間的電流通路，達(dá)到快速保護(hù)行波管的目的。本行波管基本參數(shù)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(tài)快速保護(hù)開(kāi)關(guān)原理

全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)由高壓開(kāi)關(guān)、控制單元組成，控制單元包括控制電路、導(dǎo)通/關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路以及穩(wěn)壓電源等部分，如圖1所示。

行波管正常工作時(shí)，發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)的控制電路送出使能信號(hào)，控制電路通過(guò)導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電路使得高壓開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。脈沖間隙期間，高壓電源E1和E2給高壓電容C1和C2充電，產(chǎn)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(guò)限流電阻R1、R2和全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)給行波管供給能量，行波管正常輸出功率。當(dāng)行波管打火時(shí)，通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)的電流急劇上升，電流檢測(cè)電路檢測(cè)到很高的脈沖電流值。當(dāng)電流值超過(guò)設(shè)定的門限值，控制電路立即關(guān)閉高壓開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并送出關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高壓開(kāi)關(guān)進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，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(nèi)降到零值;同時(shí)，控制電路還向發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)輸出過(guò)流故障連鎖信號(hào)，關(guān)閉高壓電源E1和E2，從而保護(hù)行波管。

圖1中，全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)的穩(wěn)壓電源電路為控制電路和驅(qū)動(dòng)電路提供所需的直流電源;燈絲電源及浮動(dòng)板調(diào)制器為行波管正常工作提供燈絲功率和調(diào)制脈沖。

圖1 全固態(tài)快速保護(hù)開(kāi)關(guān)框圖

2 全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)主要電路

2.1 高壓開(kāi)關(guān)

考慮到保護(hù)開(kāi)關(guān)工作電流為15 A，耐電壓值達(dá)50 kV，高壓開(kāi)關(guān)采用2 500 V/35 A的小型高速IGBT多管串并聯(lián)的方式，解決高壓開(kāi)關(guān)的耐壓和最大工作電流問(wèn)題［3-4］?？紤]冗余，提高可靠性，高壓開(kāi)關(guān)采用44組串聯(lián)、每組2個(gè)IGBT并聯(lián)的方式。圖2為每個(gè)組件的示意圖。

圖2 組件示意圖

均壓網(wǎng)絡(luò)包括靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓。靜態(tài)均壓采用電阻分壓實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)均壓電阻為［5］

式中:n為串聯(lián)開(kāi)關(guān)組件的數(shù)量;Usmax為單個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)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(hù)開(kāi)關(guān)的耐壓值;ICES為開(kāi)關(guān)組件的最大泄漏電流。

動(dòng)態(tài)均壓采用基于瞬態(tài)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(kāi)關(guān)關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的浪涌電壓。

2.2 高壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷

高壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通/關(guān)斷原理圖如圖3所示。采用電流互感器傳輸導(dǎo)通信號(hào)和關(guān)斷信號(hào)，并進(jìn)行高低電位的隔離［8-9］。高壓開(kāi)關(guān)在正常工作情況下，控制電路的SG1525產(chǎn)生兩路導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而后通過(guò)隔離放大，由常規(guī)的半橋變換電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào);觸發(fā)信號(hào)通過(guò)導(dǎo)通互感器耦合隔離，后經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后變成直流電壓，觸發(fā)V4和V5，并維持它們一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖3 高壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通/關(guān)斷原理圖

當(dāng)電流檢測(cè)電路檢測(cè)到過(guò)流，超過(guò)門限值判為故障時(shí)，控制電路的SG1525關(guān)斷，切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，并產(chǎn)生20 μs的關(guān)斷脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后隔離放大，再通過(guò)關(guān)斷互感器耦合隔離輸出，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管V7，將C1及V4、V5柵源間內(nèi)的電荷快速泄放，達(dá)到快速關(guān)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(guò)互感器，作為初級(jí)。

2.3 電流檢測(cè)、穩(wěn)壓電源

采用電流互感器來(lái)檢測(cè)行波管打火時(shí)的過(guò)流信號(hào)，其原理圖如圖4所示［5］?；ジ衅髦苯哟谛胁ü芨邏好}沖回路中，用于檢測(cè)行波管電流。當(dāng)行波管打火時(shí)，通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)的電流急劇上升，互感器次級(jí)取樣電阻R1上的電壓超過(guò)由二極管V1和穩(wěn)壓管V2組成的基準(zhǔn)電壓，可控硅V3導(dǎo)通，送出故障信號(hào)給控制電路，由控制電路關(guān)斷高壓開(kāi)關(guān)。

圖4 互感器電流取樣檢測(cè)

穩(wěn)壓電源包括輔助電源、導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電源。穩(wěn)壓電源通過(guò)變壓器、整流、濾波、串聯(lián)穩(wěn)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 應(yīng)重視日常生活習(xí)慣 日常生活中的良好習(xí)慣對(duì)頸椎病的防治及康復(fù)都非常重要。本研究患者評(píng)估中發(fā)現(xiàn)患者均存在不同程度的生活習(xí)慣問(wèn)題。比如長(zhǎng)時(shí)間伏案工作和學(xué)習(xí)、睡眠姿勢(shì)異常及枕頭高低不當(dāng)、頸背部直接受空調(diào)或電扇等冷風(fēng)刺激、長(zhǎng)時(shí)間上網(wǎng)或電腦工作等都容易導(dǎo)致頸椎病的發(fā)生?，F(xiàn)代青年人較以往更多地從事曲頸活動(dòng)，從而人為地加速和加重了頸椎退變，故易引起頸椎病復(fù)發(fā)［6］?；颊呷朐汉髴?yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的護(hù)理評(píng)估及制定個(gè)體化健康教育計(jì)劃，并詳細(xì)向患者傳授所缺乏的自我護(hù)理知識(shí)和技術(shù)，使患者明確日常生活中的良好習(xí)慣對(duì)頸椎病的防治及康復(fù)都非常重要。

3 結(jié)構(gòu)與功耗

3.1 結(jié)構(gòu)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)劃分為控制單元、相互對(duì)稱放置的兩塊高壓開(kāi)關(guān)，置于由環(huán)氧材料制成的結(jié)構(gòu)件內(nèi)，如圖5所示，實(shí)物圖如圖6所示。開(kāi)關(guān)外形尺寸為550 mm×248 mm×50 mm，總重3.5 kg，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、維護(hù)更換方便等特點(diǎn)。

圖5 全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)實(shí)物圖

3.2 功耗

行波管正常工作時(shí)，保護(hù)開(kāi)關(guān)工作在導(dǎo)通狀態(tài)，所以只考慮導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗為

式中:VCE為IGBT導(dǎo)通時(shí)的壓降;I為工作電流;n為串聯(lián)開(kāi)關(guān)組件的數(shù)量;D為工作比。

全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)整體置于高壓油箱內(nèi)，通過(guò)油箱內(nèi)絕緣油自然散熱。

4 試驗(yàn)及特點(diǎn)

4.1 模擬打火實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證保護(hù)開(kāi)關(guān)工作的可靠性，在全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)上機(jī)前，進(jìn)行了模擬行波管打火試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)框圖如圖7所示。調(diào)節(jié)放電球隙間隙距離使得打火電壓與行波管工作電壓相當(dāng)，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(jiān)測(cè)互感器直接串聯(lián)在全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)與模擬負(fù)載之間，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流，用分壓器可以讀出負(fù)載上的電壓。模擬打火試驗(yàn)波形圖如圖8所示，上部為打火時(shí)由分壓器監(jiān)測(cè)的電壓波形，下部為打火時(shí)由電流監(jiān)測(cè)互感器監(jiān)測(cè)的電流波形。

圖7 模擬打火試驗(yàn)框圖

由圖8的電流波形可知，當(dāng)負(fù)載打火時(shí)，電流急劇上升，在1 μs之內(nèi)保護(hù)開(kāi)關(guān)切斷電流通路，電流迅速下降。陰極電壓U為-50 kV，打火時(shí)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(shí)間。一般柵控行波管打火時(shí)可承受10 J的能量，避免負(fù)載因打火造成損害。實(shí)際應(yīng)用表明:在行波管打火時(shí)，全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)有效地保護(hù)了行波管。

4.2 特點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用，全固態(tài)快速保護(hù)開(kāi)關(guān)的性能指標(biāo)以及可靠性得到了充分驗(yàn)證。該全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)具有響應(yīng)速度快、可靠性高、一致性好、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于柵控行波管等真空管。通過(guò)多組件串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更高電壓、更大電流的全固態(tài)保護(hù)開(kāi)關(guān)，應(yīng)用于速調(diào)管、回旋管等真空管發(fā)射機(jī)，是我們下一步需要研究的內(nèi)容。

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