一种打火过流保护组件的制作方法

1.本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种打火过流保护组件。


背景技术：

2.随着雷达技术的发展对雷达发射机的功率、可靠性、频谱等指标提出了越来越高的要求，发射机所采用的高频放大管(也称为发射管)的重要性越来越突出，费用也变得越来越高，因而对发射管进行可靠及时的保护就显得十分重要。在真空管发射机，尤其是行波管发射机中，通常采用撬棒保护电路来进行高压打火过流保护。撬棒保护电路的目的是在发射管打火短路时，能迅速启动，旁路储能电容中的绝大部分能量，从而保护发射管不受损坏。但由于撬棒电路中的高压放电管稳定性欠佳，所以在应用中撬棒电路容易出现误动作，影响系统正常工作。而且由于撬棒电路的机理是旁路打火能量，相当于电源负载短路，对高压电源系统和其它电路造成电压和电流冲击，甚至会损坏这些系统，出现打坏高压整流硅碓、igbt的现象。撬棒电路工作时的巨大放电电流还会在发射机系统地线上产生极高的电压尖锋，对在低电压下工作的电源控制板、控保板和低压电源等电路产生电压冲击，使这些系统受到干扰不能正常工作，甚至造成单元和器件损坏等故障现象，大大降低发射机系统的可靠性指标，需要增加相关的维护人员、维护设备，运行成本较高。


技术实现要素：

3.为解决现有的技术问题，本发明提供了一种打火过流保护组件。
4.本发明的具体内容如下：一种打火过流保护组件，串接在高压电源和发射管之间，包括n个固态开关、n个隔离驱动电路、n个均压电路、过流检测电路、控制保护及脉冲触发电路，所述n个隔离驱动电路与n个固态开关分别连接，所述n个固态开关分别与n个均压电路相连接，所述过流检测电路与打火过流保护组件输出连接，所述控制保护及脉冲触发电路与隔离驱动电路连接，并与过流检测电路互相连接。
5.进一步的，高压电源并联高压电容，高压电源通过限流电路连接到固态开关。
6.进一步的，发射机正常工作时组件处于导通状态；若工作期间出现发射管打火现象，电流值超过设定的门限值以后，控制保护电路立即关闭固态开关的驱动信号，打火过流保护组件进入关断状态，高压电源与发射管之间的电流通路被切断，与此同时控制保护电路还输出故障连锁信号关闭高压电源系统。
7.进一步的，脉冲触发电路和隔离驱动电路包括一个100khz振荡器、全桥驱动电路、关断脉冲产生电路、单端驱动电路、开启脉冲变压器t1、关断脉冲变压器t2、整流滤波电路和关断开关，控制电平一路经过100khz振荡器、全桥驱动电路、开启脉冲变压器t1和整流滤波电路后到达固态开关，另一路通过关断脉冲产生电路、单端驱动电路、关断脉冲变压器t2和关断开关后通过整流滤波电路到达固态开关。
8.进一步的，100khz振荡器产生的100khz方波经过全桥驱动电路推动开启脉冲变压器t1，振荡方波耦合到开启脉冲变压器t1次级后由整流滤波电路处理，给固态开关提供直
流驱动电平；在脉冲信号关断或者过流保护信号动作时，控制电平立即下降为低电平，100khz振荡器停止工作，给固态开关管的驱动电平开始下降；与此同时关断脉冲产生电路产生一个10us左右的关断脉冲，经过驱动电路推动关断脉冲变压器t2，经过脉冲耦合到关断开关，关断开关导通使开关管的驱动电平迅速下降为零值。
9.进一步的，驱动电路变压器包括n个开启脉冲变压器和n个关断脉冲变压器，每个变压器的次级对应一个固态开关，所有开启脉冲变压器的初级串接在一起接开启脉冲全桥驱动电路，所有关断脉冲变压器的初级串接在一起接关断脉冲单端驱动电路。
10.进一步的，控制保护电路包括比较电路、加速电路、自锁电路和故障输出电路，电流取样信号经过比较电路、加速电路、自锁电路后转为控制电平送至驱动电路，电流检测电路送来的脉冲电流取样信号，与设定门限进行比较，判断高压回路的脉冲电流是否正常，如果异常则以最快的速度将控制电平变为低电平，去关断触发信号，断开保护组件。同时将故障信号通知发射机控保电路，该故障状态将被锁存直到收到复位信号为止。
11.进一步的，固态开关采用半导体器件igbt。
12.本发明的打火过流保护组件串接在高压电源和发射管之间，发射管出现打火时，立即关断保护组件，彻底切断高压电源和发射管之间的放电回路，使撬棒电路存在的问题得到根本解决，具有高稳定可靠性，易于实现模块化，可以组合成多种规格的保护组件，具有非常好的通用性。
附图说明
13.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
14.图1为本发明的组成原理框图；
15.图2是本发明的脉冲触发电路和隔离驱动电路的组成原理框图；
16.图3是本发明的控制保护电路的组成原理框图；
17.图4是本发明的脉冲隔离传输电路的组成原理框图。
具体实施方式
18.本实施例公开了一种打火过流保护组件，包括n个固态开关，n个隔离驱动电路、n个均压电路，过流检测电路，控制保护及脉冲触发电路。所述的n个隔离驱动电路与n个固态开关分别连接，所述的n个固态开关分别于n个均压电路相连接，所述的过流检测电路与打火过流保护组件输出连接，所述的控制保护及脉冲触发电路与隔离驱动电路连接，并与过流检测电路互相连接。
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。
20.结合图1，本发明包括n个固态开关，n个隔离驱动电路、n个均压电路，过流检测电路，控制保护及脉冲触发电路。图中虚线框内为打火过流保护组件内部电路，整个组件串接在电源与发射管之间。n个固态开关串联工作，均浮在高电位上。正常工作情况下，固态开关处于直流导通状态，高压电源正常给发射管阴极提供所需的能量。n个均压电路包括直流均压电路和动态均压电路，确保每个固态开关均工作在安全电压范围以内。过流检测电路一直检测高压回路电流，一旦工作期间如果出现发射管打火现象，则通过组件的电流会急剧上升，电流检测电路立即检测到很高的电流值，电流值超过设定的门限值以后，控制保护电
路立即关闭固态开关的驱动信号，打火过流保护组件进入关断状态，高压电源与发射管之间的电流通路被切断，电流立即在几微秒内降到零值，与此同时控制保护电路还输出故障连锁信号关闭高压电源系统，发射机进入待机状态，从而保护了发射机整机。n个隔离驱动电路提供固态开关正常导通/关断所需的驱动电压。隔离驱动电路浮在高电位上，本实施例中采用变压器隔离驱动方式，为方便脉冲信号传输，减小体积，设计采用了高频调制技术，大大减低了驱动电路单元的体积和分布参数。脉冲触发电路提供开启脉冲信号和关断脉冲信号给隔离驱动电路，用于开通和关断固态开关。
21.结合图2，脉冲触发电路和隔离驱动电路包括一个100khz振荡器、全桥驱动电路、关断脉冲产生电路、单端驱动电路、开启脉冲变压器t1、关断脉冲变压器t2、整流滤波电路和关断开关。脉冲触发电路采用了高频调制技术和变压器隔离驱动方式来解决直流长脉冲的传输问题。振荡器产生的100khz方波经过全桥驱动电路推动开启脉冲变压器t1，振荡方波耦合到开启脉冲变压器t1次级后由整流滤波电路处理，给固态开关提供直流驱动电平。在脉冲信号关断或者过流保护信号动作时，控制电平立即下降为低电平，振荡器停止工作，给固态开关管的驱动电平开始下降；与此同时关断脉冲产生电路产生一个10us左右的关断脉冲，经过驱动电路推动关断脉冲变压器t2，经过它脉冲耦合到关断开关，关断开关导通使开关管的驱动电平迅速下降为零值，加快了固态开关管的关断速度，提高打火过流保护组件的保护性能，保护速度在几微秒以内，可靠保护发射管。
22.结合图3，控制保护电路包括一个比较电路、加速电路、自锁电路、故障输出电路。电流检测电路送来的脉冲电流取样信号，与设定门限进行比较，判断高压回路的脉冲电流是否正常。如果异常则以最快的速度将控制电平变为低电平，去关断触发信号，断开保护组件。同时将故障信号通知发射机控保电路，该故障状态将被锁存直到收到复位信号为止。
23.结合图4，驱动电路变压器包括n个开启脉冲变压器，n个关断脉冲变压器。每个变压器的次级对应一个固态开关，所有开启脉冲变压器的初级串接在一起接开启脉冲全桥驱动电路，所有关断脉冲变压器的初级串接在一起接关断脉冲单端驱动电路。
24.本发明的工作原理如下：发射管正常工作时，发射机控保系统送出控制电平给打火过流保护组件的脉冲触发电路，产生高频触发脉冲通过全桥驱动电路使得固态开关处于导通状态。高压电源给高压电容充电，产生发射管所需的高压电压，并通过限流电阻和打火过流保护组件给发射管供给能量，发射管正常输出功率。当发射管打火时，通过高压回路的电流急剧上升，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，控制保护电路立即关闭开启触发信号，并送出关断驱动脉冲，打火过流保护组件进入关断状态，使得高压电源与发射管之间的通路变成高阻，电流在几微秒内降到零值；控制保护电路同时向发射机控保系统输出过流故障连锁信号，关闭高压电源，从而保护了发射管。
25.以一个采用行波管作为高频放大管的发射机打火过流保护组件为设计实例。该行波管工作电压为-15kv，工作脉冲电流为20a，脉冲宽度最大20μs，脉冲频率小于1khz，最大工作比1％，发射机工作频段为x波段。
26.由于行波管工作电压为-15kv，工作脉冲电流为20a，综合比较了多种固态开关器件，采用了一种4000v/40a的igbt单管ixel40n400作为开关管。根据igbt的耐压值并考虑适当的冗余设计，最后采用整个打火过流保护组件由6个开关管串联构成固态开关。
27.采用变压器隔离传输方式。每个固态开关对应两个超微晶环型铁芯，一个是传输
开启脉冲，一个传输关断脉冲，总共12个铁芯。用一个高压线穿过所有开启脉冲变压器铁芯的中间构成初级与全桥驱动电路相连，另一个高压线穿过所有关断脉冲变压器铁芯的中间构成初级与单端驱动电路相连，完成信号的传输。高压线采用江苏通光电子线缆股份有限公司生产的tghvf46-25 0.5mm2耐高压电线，该高压线能耐25kv高压，绝缘使用完全没有问题。变压器的次级每组绕10匝，这样初次级的匝比为6：10。初级驱动电压为15v左右就能满足开关管15v左右驱动电压的要求。
28.保护组件的高压输入端和输出端串联在高压电源和行波管阴极之间，为了进一步限制打火时的峰值电流，还在高压电源和保护组件的输入端串联了一个30w/100欧姆的实体无感电阻，将峰值电流限定在150a左右。结构设计上，将高压部件，包括固态开关、均压电路、隔离驱动电路统一安装在用环氧材料制成的绝缘盒子里，然后再用导热绝缘胶真空灌封成一个整体的长方形模块，模块内耗散功率比较大器件的热量由陶瓷散热器引出至模块外表面，通过吹风散热。
29.经过模拟行波管打火的实验测试表明，打火过流保护组件的关断时间小于2.5μs，打火期间传输到行波管的能量小于10焦耳，满足行波管的安全使用要求；更重要的是打火期间没有产生大的电压和电流冲击，整个发射机系统其它电路没有出现损坏的现象。
30.打火过流保护组件设计采用模块化的设计思路，通过串联和并联固态开关的方法可以组合成多种规格的保护组件，满足不同量级发射管的技术要求。固态开关采用半导体器件igbt，半导体器件的寿命可以达到几十万小时以上，完全没有电真空器件需要定期更换的问题。打火过流保护组件串接在高压电源和发射管之间，而不是像撬棒电路那样并联在高压电源的两端，当发射管出现打火时，立即关断保护组件，彻底切断高压电源和高压电容器与发射管之间的放电回路，使撬棒电路存在的大电流放电问题得到根本解决。
31.在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种打火过流保护组件，其特征在于：串接在高压电源和发射管之间，包括n个固态开关、n个隔离驱动电路、n个均压电路、过流检测电路、控制保护及脉冲触发电路，所述n个隔离驱动电路与n个固态开关分别连接，所述n个固态开关分别与n个均压电路相连接，所述过流检测电路与打火过流保护组件输出连接，所述控制保护及脉冲触发电路与隔离驱动电路连接，并与过流检测电路互相连接。2.根据权利要求1所述的打火过流保护组件，其特征在于：高压电源并联高压电容，高压电源通过限流电路连接到固态开关。3.根据权利要求1所述的打火过流保护组件，其特征在于：发射机正常工作时组件处于导通状态；若工作期间出现发射管打火现象，电流值超过设定的门限值以后，控制保护电路立即关闭固态开关的驱动信号，打火过流保护组件进入关断状态，高压电源与发射管之间的电流通路被切断，与此同时控制保护电路还输出故障连锁信号关闭高压电源系统。4.根据权利要求1所述的打火过流保护组件，其特征在于：脉冲触发电路和隔离驱动电路包括一个100khz振荡器、全桥驱动电路、关断脉冲产生电路、单端驱动电路、开启脉冲变压器t1、关断脉冲变压器t2、整流滤波电路和关断开关，控制电平一路经过100khz振荡器、全桥驱动电路、开启脉冲变压器t1和整流滤波电路后到达固态开关，另一路通过关断脉冲产生电路、单端驱动电路、关断脉冲变压器t2和关断开关后通过整流滤波电路到达固态开关。5.根据权利要求4所述的打火过流保护组件，其特征在于：100khz振荡器产生的100khz方波经过全桥驱动电路推动开启脉冲变压器t1，振荡方波耦合到开启脉冲变压器t1次级后由整流滤波电路处理，给固态开关提供直流驱动电平；在脉冲信号关断或者过流保护信号动作时，控制电平立即下降为低电平，100khz振荡器停止工作，给固态开关管的驱动电平开始下降；与此同时关断脉冲产生电路产生一个10us左右的关断脉冲，经过驱动电路推动关断脉冲变压器t2，经过脉冲耦合到关断开关，关断开关导通使开关管的驱动电平迅速下降为零值。6.根据权利要求4所述的打火过流保护组件，其特征在于：驱动电路变压器包括n个开启脉冲变压器和n个关断脉冲变压器，每个变压器的次级对应一个固态开关，所有开启脉冲变压器的初级串接在一起接开启脉冲全桥驱动电路，所有关断脉冲变压器的初级串接在一起接关断脉冲单端驱动电路。7.根据权利要求1所述的打火过流保护组件，其特征在于：控制保护电路包括比较电路、加速电路、自锁电路和故障输出电路，电流取样信号经过比较电路、加速电路、自锁电路后转为控制电平送至驱动电路，电流检测电路送来的脉冲电流取样信号，与设定门限进行比较，判断高压回路的脉冲电流是否正常，如果异常则以最快的速度将控制电平变为低电平，去关断触发信号，断开保护组件。同时将故障信号通知发射机控保电路，该故障状态将被锁存直到收到复位信号为止。8.根据权利要求1所述的打火过流保护组件，其特征在于：固态开关采用半导体器件igbt。

技术总结
本发明涉及一种打火过流保护组件，串接在高压电源和发射管之间，包括n个固态开关、n个隔离驱动电路、n个均压电路、过流检测电路、控制保护及脉冲触发电路，所述n个隔离驱动电路与n个固态开关分别连接，所述n个固态开关分别与n个均压电路相连接，所述过流检测电路与打火过流保护组件输出连接，所述控制保护及脉冲触发电路与隔离驱动电路连接，并与过流检测电路互相连接。本发明的打火过流保护组件串接在高压电源和发射管之间，发射管出现打火时，立即关断保护组件，彻底切断高压电源和发射管之间的放电回路，使撬棒电路存在的问题得到根本解决，具有高稳定可靠性，易于实现模块化，可以组合成多种规格的保护组件，具有非常好的通用性。性。性。


技术研发人员：王登峰 唐绩
受保护的技术使用者：南京国睿防务系统有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8