用于栅控行波管的全固态快速保护开关

刘志刚，田 为，杨 明

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着雷达技术的发展，对行波管发射机的频段、功率、脉宽等指标的要求越来越高。行波管技术水平越来越高，行波管价格也越来越昂贵。在实际工作中，行波管内部出现严重打火时，若保护不够及时，就有可能损坏。采用电真空器件作为撬棒保护电路已有论述［1-2］。随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的发展，采用全固态开关器件构成行波管的保护开关成为可能。

本文研制的全固态快速保护开关采用IGBT作为开关器件，用于某大功率栅控行波管。当行波管打火时，能够快速切断高压电源与行波管之间的电流通路，达到快速保护行波管的目的。本行波管基本参数如下:

1)阴极电压:-50 kV;

2)收集极电压:-16 kV;

3)阴极电流:15 A;

4)工作比:3%。

1 全固态快速保护开关原理

全固态保护开关由高压开关、控制单元组成，控制单元包括控制电路、导通/关断驱动电路、电流检测电路以及稳压电源等部分，如图1所示。

行波管正常工作时，发射机监控系统向全固态保护开关的控制电路送出使能信号，控制电路通过导通驱动电路使得高压开关处于导通状态。脉冲间隙期间，高压电源E1和E2给高压电容C1和C2充电，产生行波管所需的阴极电压和收集极电压;脉冲期间，C1和C2分别通过限流电阻R1、R2和全固态保护开关给行波管供给能量，行波管正常输出功率。当行波管打火时，通过高压开关的电流急剧上升，电流检测电路检测到很高的脉冲电流值。当电流值超过设定的门限值，控制电路立即关闭高压开关的驱动信号并送出关断驱动信号，高压开关进入关断状态，使得高压电源与行波管之间的通路变成高阻，电流在几微秒内降到零值;同时，控制电路还向发射机监控系统输出过流故障连锁信号，关闭高压电源E1和E2，从而保护行波管。

图1中，全固态保护开关的稳压电源电路为控制电路和驱动电路提供所需的直流电源;灯丝电源及浮动板调制器为行波管正常工作提供灯丝功率和调制脉冲。

图1 全固态快速保护开关框图

2 全固态保护开关主要电路

2.1 高压开关

考虑到保护开关工作电流为15 A，耐电压值达50 kV，高压开关采用2 500 V/35 A的小型高速IGBT多管串并联的方式，解决高压开关的耐压和最大工作电流问题［3-4］。考虑冗余，提高可靠性，高压开关采用44组串联、每组2个IGBT并联的方式。图2为每个组件的示意图。

图2 组件示意图

均压网络包括静态均压和动态均压。静态均压采用电阻分压实现。静态均压电阻为［5］

式中:n为串联开关组件的数量;Usmax为单个串联开关组件允许的最大电压，取值为所用IGBT最大额定电压的65%;UDC为保护开关的耐压值;ICES为开关组件的最大泄漏电流。

动态均压采用基于瞬态电压抑制器箝位的峰值控制方法［6-7］，能够较好抑制高压开关关断瞬间产生的浪涌电压。

2.2 高压开关导通与关断

高压开关导通/关断原理图如图3所示。采用电流互感器传输导通信号和关断信号，并进行高低电位的隔离［8-9］。高压开关在正常工作情况下，控制电路的SG1525产生两路导通驱动信号，而后通过隔离放大，由常规的半桥变换电路产生触发信号;触发信号通过导通互感器耦合隔离，后经整流滤波稳压后变成直流电压，触发V4和V5，并维持它们一直处于导通状态。

图3 高压开关导通/关断原理图

当电流检测电路检测到过流，超过门限值判为故障时，控制电路的SG1525关断，切断驱动信号的输出，并产生20 μs的关断脉冲驱动信号，然后隔离放大，再通过关断互感器耦合隔离输出，导通开关管V7，将C1及V4、V5栅源间内的电荷快速泄放，达到快速关断的目的［8］。为隔离50 kV的高压，用一根耐压大于50 kV的高压线穿过互感器，作为初级。

2.3 电流检测、稳压电源

采用电流互感器来检测行波管打火时的过流信号，其原理图如图4所示［5］。互感器直接串在行波管高压脉冲回路中，用于检测行波管电流。当行波管打火时，通过高压开关的电流急剧上升，互感器次级取样电阻R1上的电压超过由二极管V1和稳压管V2组成的基准电压，可控硅V3导通，送出故障信号给控制电路，由控制电路关断高压开关。

图4 互感器电流取样检测

稳压电源包括辅助电源、导通驱动、关断驱动电源。稳压电源通过变压器、整流、滤波、串联稳压来实现。

3.4 应重视日常生活习惯 日常生活中的良好习惯对颈椎病的防治及康复都非常重要。本研究患者评估中发现患者均存在不同程度的生活习惯问题。比如长时间伏案工作和学习、睡眠姿势异常及枕头高低不当、颈背部直接受空调或电扇等冷风刺激、长时间上网或电脑工作等都容易导致颈椎病的发生。现代青年人较以往更多地从事曲颈活动，从而人为地加速和加重了颈椎退变，故易引起颈椎病复发［6］。患者入院后应进行系统的护理评估及制定个体化健康教育计划，并详细向患者传授所缺乏的自我护理知识和技术，使患者明确日常生活中的良好习惯对颈椎病的防治及康复都非常重要。

3 结构与功耗

3.1 结构

在实际设计中，全固态保护开关划分为控制单元、相互对称放置的两块高压开关，置于由环氧材料制成的结构件内，如图5所示，实物图如图6所示。开关外形尺寸为550 mm×248 mm×50 mm，总重3.5 kg，具有结构紧凑、体积小、维护更换方便等特点。

图5 全固态保护开关结构示意图

图6 全固态保护开关实物图

3.2 功耗

行波管正常工作时，保护开关工作在导通状态，所以只考虑导通损耗，导通损耗为

式中:VCE为IGBT导通时的压降;I为工作电流;n为串联开关组件的数量;D为工作比。

全固态保护开关整体置于高压油箱内，通过油箱内绝缘油自然散热。

4 试验及特点

4.1 模拟打火实验

为了验证保护开关工作的可靠性，在全固态保护开关上机前，进行了模拟行波管打火试验，实验框图如图7所示。调节放电球隙间隙距离使得打火电压与行波管工作电压相当，缓慢升高高压电源E1和E2的电压，使得放电球隙打火，模拟行波管打火。电流监测互感器直接串联在全固态保护开关与模拟负载之间，可实时监测电流，用分压器可以读出负载上的电压。模拟打火试验波形图如图8所示，上部为打火时由分压器监测的电压波形，下部为打火时由电流监测互感器监测的电流波形。

图7 模拟打火试验框图

由图8的电流波形可知，当负载打火时，电流急剧上升，在1 μs之内保护开关切断电流通路，电流迅速下降。阴极电压U为-50 kV，打火时电弧电压V最大约为100 V，R1为40 Ω，R2为100 Ω，C1为2 μF，C2为1 μF，则模拟打火装置得到的能量约为

式中:t为时间。一般栅控行波管打火时可承受10 J的能量，避免负载因打火造成损害。实际应用表明:在行波管打火时，全固态保护开关有效地保护了行波管。

4.2 特点

5 结束语

通过实验及实际应用，全固态快速保护开关的性能指标以及可靠性得到了充分验证。该全固态保护开关具有响应速度快、可靠性高、一致性好、易于扩展等优点，可广泛应用于栅控行波管等真空管。通过多组件串并联，实现更高电压、更大电流的全固态保护开关，应用于速调管、回旋管等真空管发射机，是我们下一步需要研究的内容。

［1］ 戴广明，孙荣棣，钮惠平.自触发撬棒电路［J］.现代雷达，2005，27(3):65-66，70.Dai Guangming，Sun Rongdi，Niu Huiping.An auto-triggered crowbar circuit［J］.Modern Radar，2005，27(3):65-66，70.

［2］ 黄懿赟.用撬棒快速保护技术保护高功率微波管［J］.高电压技术，2005，31(6):66-68.Huang Yiyun.Protection of the power klystron with fast protection crowbar technology［J］.High Voltage Engineering，2005，31(6):66-68.

［3］ 窦好刚，廖 源，赵培聪.高功率IGBT组件在雷达发射机中的应用［J］.现代雷达，2008，30(2):85-87.Dou Haogang，Liao Yuan，Zhao Peicong.Application of high power IGBT modules in radar transmitter［J］.Modern Radar，2008，30(2):85-87.

［4］ Abbate C，Busatto G，Iannuzzo F.High-voltage，high-performance switch using series-connected IGBTs［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(9):2450-2459.

［5］ 郑 新，李文辉，潘厚忠.雷达发射技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［6］ 张佃青，王 永，赵 波，等.有源箝位抑制IGBT浪涌电压的研究［J］. 电力电子技术，2010，44(11):101-103.Zhang Dianqing，Wang Yong，Zhao Bo，et al.Research on suppressing surge voltage of IGBT by active clamping［J］.Power Electronics，2010，44(11):101-103.

［7］ 颜云岭，邬伟扬，杨 耕.基于峰值控制的IGBT串联均压技术［J］. 电力电子技术，2013，47(6):74-76.Yan Yunling，Wu Weiyang，Yang Geng.Voltage balancing method of series IGBTs by clamping control［J］.Power E-lectronics，2013，47(6):74-76.

［8］ 魏 智.发射机高压脉冲调制器的设计与实践［M］.北京:电子工业出版社，2009.Wei Zhi.Design and practice of transmitter high voltage pulse modulator［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［9］ 杨 明，何秀华.互感型全固态浮动板调制器［J］.现代雷达，2011，33(3):70-72.Yang Ming，He Xiuhua.Transformer-coupling full-solidstate floating-board modulator［J］.Modern Radar，2011，33(3):70-72.