有关开关的基本概念.docx

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有关开关的基本概念

总括起来，开关主要有以下几种：

闸流管、火花气体开关、激光触发开关、真空开关、爆炸断路开关、等离子体压缩断路开关、熔丝、金属箔熔片、低压反射开关、利用栅极控制等离子体的大功率断路开关、等离子体融蚀开关、反箍缩等离子体开关、磁开关、光导半导体开关、表面放电开关等。

脉冲大电流开关性能的主要技术参数可以用以下一组参数来描述[17]：

（1）最小触发电压Ut（min）：

能保证开关主间隙可靠导通的所加触发电压不得低于

此电压；

（2）静态自击穿电压Us：

在没有任何触发手段的情况下，开关间隙所能承受的最

高电压；

（3）最大工作电压：

为了获得可靠运行，开关主电极的最大工作电压，约为静态

自击穿电压的80％；

（4）最小工作电压：

开关可靠运行的最小工作电压，约为最大工作电压的1/3；

（5）工作范围：

开关最大与最小工作电压之间的范围；

（6）击穿时延td：

从触发电压加到触发电极瞬间起到开关完全导通的时间；

（7）击穿时延的分散性：

在相同条件下td的变化范围，亦称开关抖动；

（8）峰值电流；开关设计者规定的开关允许通过的额定电流，电流超过峰值电流

值，将会危及开关正常工作；

（9）恢复时间：

开关脉冲电流结束到开关绝缘恢复的时间；

（10）寿命：

开关运行的总次数；

（11）重复频率（对重复频率脉冲功率技术开关而言）：

开关一秒钟内能够可靠地

闭合（或关断）而性能不下降的次数；

（12）正向压降：

开关在导通情况下的电压；

（13）di/dt：

在保证开关装置不被毁坏的条件下，开关允许通过电流的上升速率；

（14）du/dt：

开关导通后不会引起开关再次动作的外加电压的上升速率。

。

不同的气体火花开关的比较：

1.三电极触发气体火花间隙开关

三电极触发气体火花开关的基本原理如图2.12所示，电极1和2为主电极，主电极之间的间隙为主间隙，开关的电压就加在这对主电极上，电极3为触发电极。

在开关放电前，电极3上没有加电压，当触发脉冲电压加到电极3后，开关在触发电压的作用下才击穿。

目前所有的高电压开关（兆伏级）都是三电极触发气体开关。

2.轨道型气体火花隙开关

在大电流脉冲装置中，如果利用单通道开关并联放电的分流作用来提高开关的通流能力，则需要复杂的同步技术，而在单个开关元件中实现多弧道放电时，则开关中的能量损失较小，有利于增大开关的通流能力和开关击穿后介质的快速恢复，使开关能够在高重复频率下运行。

轨道型气体火花开关在满足一定的触发条件下，可形成多个火花通道。

图2.13为典型轨道开关示意图，开关电极的几何形状如同轨道一样，刀刃状触发电极、阴极和阳极三者互相平行，轨道间隙和触发电极位置可以调整。

当高压脉冲迅速加到刀刃电极上时，瞬时产生了很大的电场畸变，从而导致多通道引燃，因此此开关实质为场畸变型开关。

轨道开关也有采用激光触发的，此外在直线型轨道开关基础上还发展了一种环形轨道开关，其工作原理与直线型轨道开关是一样的，仅是将主电极做成环形轨道。

由于轨道型气体火花开关击穿时可

形成多个火花通道，大大减低了通过间隙的电流密度和一次次放电的随机分布，减小了开关电极的烧蚀。

降低了开关的分布电感，提高了气体火花开关的使用寿命。

目前查到的轨道开关的通流能力及隔断电压分别达到500kA及100kV，抖动时间小于100ps，开关电感只有几个纳亨。

3.运用吹气技术的高重复频率气体火花开关

为了满足重复频率脉冲功率技术发展的要求，在气体火花开关中采用了吹气技术，即在开关电极间吹气，带走电极之间的导电电荷，加速开关绝缘强度的恢复速度，从而提高开关的工作频率。

图2.14是中物院应用电子学研究所常安碧等在研制500kV调制型加速器的工作中设计的空心阴极吹气开关的结构[48]。

其设计参数为：

工作电压范围50-100kV；

最大脉冲电流100kA；

电荷传递量0.15-0.3C/pulse；

间距1.2-1.7cm可调；

气压种类及压力0.25-0.35MPa（表压）氮气；

气体流量Q≈25-35L/s32（标准状态）；

电极尺寸最大直径φ50mm-φ70mm，顶部球半径SR=50mm，高度H=50mm。

在此基础上研究出了不同结构的开关。

重复频率开关的需求越来越大，为了提高火花开关的重复工作频率，人们一般采用均匀电场、吹气技术和提高工作气压等方法来达到目的，普遍认为重复频率气体火花开关必须满足以下要求：

（1）极间电场应尽可能大面积均匀分布；

（2）电极间气体流动不存在“死区”；

（3）气体流向要有利于带电粒子尽快恢复；

（4）选择使开关工作稳定、寿命长的电极材料；

（5）选择介电强度恢复速度快且无污染和危险的气体介质。

4.多级多通道气体火花开关

近年来，对气体火花开关的性能提出了更高的要求，希望开关具有超低电感、超低分散性和极大的通流能力（数MA），为了减小开关的电感和增大开关的通流能力，较好的办法就是将开关电流分成多个并联的通道。

三电极轨道型气体火花开关

击穿时形成多个火花通道，减低通过间隙的电流密度和一次次放电的随机分布，减小了电极的烧蚀。

降低了开关的分布电感，提高了气体火花开关的使用寿命。

多级多通道气体火花开关同样也可以形成多个火花放电通道，减小开关的抖动、电感33和开关电极的烧蚀[49]。

此类开关的设计原则是：

（1）为了减小开关的抖动和电感，开关由多个小间隙串联组成；

（2）保证开关击穿时，施加到开关间隙上的高电压脉冲前沿要陡，通过施加陡前沿触发脉冲和将整个气体间隙分成自击穿间隙组和触发

间隙组实现；

（3）保证开关放电时相邻火花通道彼此隔离，以利于形成多通道放电；

（4）触发电极位于主放电通道之外[50]。

多级多通道气体开关结构如图2.15所示。

5.电场畸变型气体火花隙开关

电场畸变型气体火花开关的原理如图2.16所示，图中1，2为主电极，3为触发电极。

触发电极3处在电极1、2间某一等位线位置，它在间隙中的电位用电阻R1、R2来控制，使电极3的电位按电极1、3间的距离和电极2、3间的距离分配。

因为电极3的尺寸小，所以在触发脉冲加到电极3之前，可以认为电极1、2间的电位分布没有因为电极3而改变。

未触发前主电极的电场分布较均匀，当触发脉冲加到电极3上后，电极3边缘的电场急剧增大，使电场畸变，同时产生场致发射，因而引起电场畸变较大的一侧先击穿。

然后由于放电通道的连接作用，触发电极电位变成与击穿侧电极同电位，另一侧间隙因受到第一级击穿照射和过电压的作用而迅速击穿。

清华大学罗承沐等设计的开关在旋转吹气的条件下，间隙距离20.0mm,其工作电压为58.7kV，最低触发电压27.0kV，在40Hz重复频率下能稳定工作。

场畸变开关的特点是触发特性良好，结构设计也不复杂，但是，由于有一个电极，存在着分压问题和对与中间电极的相连的触发系统的高压倒灌问题，到目前为止，场畸变型开关的工作电压不是太高。

国际物理公司的依安·斯密士（IanSmith）提出了一种称之为“V/N”开关的脉冲充电高气压开关。

这个名字是由大比例N而得。

N定义为加在开关上的全电压与其触发电压之比。

这种开关只需要一个比开关工作电压低得多的触发电压就可以使它触发。

N值通常取10～15。

【45】。

它与电场畸变型气体开关相类似，是一种单级触发放电开关，触发极位于主放电间隙中靠近阴极接地极的位置，触发间隙（图中触发极与接地极之间的间距）与主放电间隙之比即触发电压与其全电压之比。

能够用较低的触发电压去触发高电压开关的原理是显而易见的。

开关的击穿过程主要决定于触发脉冲在触发极边缘所形成的电场及电场变化率，即决定于触发脉冲的幅值、幅值上升率及触发电极的曲率半径。

当开关电压增大时，开关间隙必然相应加大（假定气体压力不变），这样，如保持触发电压幅值上升率及触发电极的曲率半径不变，触发电压就不需要按开关电压的上升比例增加，只要稍加大就可以得到相同的结果。

国际物理公司研制了一种3MV的多通道V/N开关，开关间隙8.575cm，绝缘气体为SF6，工作压力12.8atm，总电感90nH，触发电压250kV，均方根值抖动<1ns,N

值为12，上升时间25ns。

三电极工作机理：

一种为BAE机制，也叫快击穿，即触发电压使触发电极对地电极击穿,放电产生的紫外线和带电粒子引起主间隙激发流注并击穿。

另一种为BOE机制，也叫慢击穿，即施加触发电压使高压电极和触发电极间电场显著增强导致击穿。

MitchellIH等人研究发现,通过合理设计,可使触发电极对高压电极和地电极同时击穿,此时开关时延和抖动最小,即具有最佳的动作特性。

他们给出了结构参数选取的近似关系

Vt/Vg=dt/（dg-dt）（3）

式中:

Vt,Vg分别为触发电极和高压电极电位;dt,dg分别为触发间隙和主间隙长度。

由（3）式可知,当开关几

何参数及触发电压确定后,开关存在一个最佳工作电压（或工作点）。

三电极开关设计：

自击穿电压的设计：

主间隙距离以及平均场强的设计：

高压电极和地电极形状和放电区域设计以及电极的材料设计：

触发电极形状设计：

电极直径的选取需考虑开关寿命和工作特性两方面的因素:

直径越小,电极烧蚀越剧烈,开关寿命短;直径越大,触发时触发电极提供的场增强效应越弱,不利于开关动作。

需要折中考虑。

通过参数设计以及经验公式可以计算出该三电极工作模式：

其步骤如下：

1，MitchellIH等人研究发现,通过合理设计,可使触发电极对高压电极和地电极同时击穿,此时开关时延和抖动最小,即具有最佳的动作特性。

他们给出了结构参数选取的近似关系

Vt/Vg=dt/（dg-dt）

其中：

Vg分别为触发电极和高压电极电位;dt,dg分别为触发间隙和主间隙长度。

2，实际开关参数，测得触发电极电位Vt=V，触发间隙dt=mm,

主间隙长度dg=mm.

3,由1中的公式，计算出该三电极最佳的工作电压Vg=？

4，根据Martin经验公式,Trigatron的开关形成时延τ可由下式估算

式中:

ρ为气体密度（g/cm）;E为平均电场强度（kV/cm）。

所设计开关工作在最佳工作点时延约为t=ns。

5,判断，当电压高于最佳工作点电压Vg时，将在BOE机制下工作,小于Vg则在BAE机制下工作。

试验的项内容（开关主要特性）：

自击穿电压：

电压工作范围：

击穿稳定性：

开关寿命：

一些常用的概念：

最小可控电压——在单次触发工作下一定工作次数（如10次）内不发生自击穿的最低工作电压。