大功率開關(一)

高壓大功率開關（一）一、概述二、短路開關三、開路開關四、其它開關一、概述

開關是電路中接通或截斷電功率的裝置。高功率脈沖技術中，開關技術具有特別重要的地位。它不僅決定了脈沖功率裝置的輸出特性，甚至是脈沖功率系統(tǒng)成敗的關鍵。一、概述（續(xù)）（一）開關的分類

根據(jù)脈沖功率的儲能方式，開關可劃分為兩類：1、短路開關（closingswitch）2、開路開關（openingswitch）還有其它的劃分標準，如工作介質、觸發(fā)方式等等。（二）開關的作用對于短路開關1、適用于電容儲能電路2、在儲能過程中起隔離充電回路和放電回路的作用3、迅速閉合導通，構成放電回路4、在指令脈沖觸發(fā)下工作，實現(xiàn)時間上與其他設備同步5、起截波陡化作用（二）開關的作用（續(xù)1）（二）開關的作用（續(xù)2）對于開路開關1、適用于電感儲能電路2、迅速斷開，將電流從一回路切換到另一回路（三）開關的基本結構開關主要由電極、工作介質、殼體和附屬設備組成1、電極由一對主電極組成，在觸發(fā)開關中還有觸發(fā)電極2、開關介質一般采用氣體、液體、固體或等離子體3、殼體起固定電極、容納介質的作用，要求有機械強度和電強度4、附屬設備根據(jù)開關的不同可能有氣罐、管道、閥門、氣泵、油循環(huán)設備、觸發(fā)信號發(fā)生器、電極間隙調節(jié)結構等（四）開關的一般工作原理短路開關多運用絕緣介質的擊穿特性，由絕緣狀態(tài)到導電狀態(tài)1、一般使用的機械開關動作時間太慢（ms量級），而介質的擊穿過程，其速度要快得多，并且分散性相對較小2、當開關兩端的電壓達到或超過介質的擊穿電壓時，開關就可以導通3、對觸發(fā)開關而言，主電極之間雖沒有達到擊穿程度，但一個主電極和觸發(fā)極之間達到了擊穿程度并發(fā)生放電，繼而引起主電極之間的擊穿（四）開關的一般工作原理（續(xù)）開路開關是由導電狀態(tài)（閉合）到絕緣狀態(tài)（斷開）的開關，它主要有：1、金屬絲電爆炸開關2、炸藥爆炸開關3、等離子體開關4、真空斷路器開關5、可控硅斷路開關（五）開關的性能參數(shù)短路開關1、耐壓能力2、通流能力3、動作時間和抖動（jitter）

開路開關1、通流能力2、開關阻抗的上升速率還有壽命和重復頻率（五）開關的性能參數(shù)（續(xù)）A、外觸發(fā)脈沖B、導通前耐壓C、電壓下降時間D、導通電壓E、恢復時間F、延遲時間G、電流上升時間H、再次充電時間I、電流脈沖寬度J、峰值功率K、反轉電壓L、反轉電流（去電離電流）M、吸收能量N、傳輸電荷量O、壽命P、可靠程度R、延時抖動（六）開關的工作范圍不同開關工作的能量密度和狀態(tài)的轉換過程——固、液體開關較優(yōu)（六）開關的工作范圍（續(xù)1）不同開關的耐壓值（六）開關的工作范圍（續(xù)2）不同開關的最大電流——火花隙（氣體）開關最佳（七）開關的時延開關的時延包括兩個方面，一是開關火花通道的建立時間（也稱擊穿時延），二是通道建立后，由開關所在回路參數(shù)決定的電流上升時間對于自擊穿開關，擊穿時延是從脈沖電壓超過擊穿電壓起，到間隙導通所花的時間；對于觸發(fā)開關，擊穿時延是從觸發(fā)脈沖到達間隙起，到間隙導通所花的時間（七）開關的時延（續(xù)）擊穿時延d由平均統(tǒng)計時延s和放電形成時延f兩部分構成。s是由電壓加到間隙的瞬間到出現(xiàn)有效雪崩電子的時間間隔，它與初始電離強度、氣壓及氣體種類等有關，它具有隨機性；f是從有效雪崩電子出現(xiàn)到流注形成建立通道所需的時間。由于放電的隨機性，導致間隙每次d值都不相同。故取多次放電的平均值作為平均延時，同時也可以確定其分散性j。好的開關d和j都要小，特別是j要小（八）開關電流的上升時間開關電流的上升時間（與開關兩端電壓下降時間近似相同）既與開關的特性有關，也受回路參數(shù)的影響。一般認為開關電流的上升時間近似是兩部分之和：一個是電阻項（等離子體通道被加熱和膨脹需要時間），另一個是電感項（電路參數(shù)的限制）。下面列出了近似的經驗公式（馬丁公式）二、短路開關（一）氣體開關氣體開關是利用氣體的擊穿特性（Townsend理論、流注理論、Pashen定律等）工作的開關，因為其結構簡單、容易操作等優(yōu)點得到了廣泛的應用開關主要包括兩個主電極，中間充氣體用作絕緣。開關動作包括過電壓自擊穿和外觸發(fā)擊穿（需要第三個電極或其它如光、電子束等觸發(fā)機制）兩種（一）氣體開關（續(xù)1）1、二電極開關這是一種自擊穿開關不僅氣體，液體和固體開關都可以采用自擊穿工作模式。其特點是非常容易制造例如Marx發(fā)生器的后幾級開關是自擊穿開關有些Blumlein線的主開關也采用自擊穿開關1、二電極開關（續(xù)1）開關的擊穿電壓在電壓上升較慢的情況下可以根據(jù)氣體擊穿規(guī)律得到。如果電極的形狀使得極間電場不均勻，則要考慮場增強因素。但如果電壓脈沖上升很快，則擊穿電壓需要更高擊穿電壓與氣體種類、壓力、極間間隙、電極形狀、電極表面狀態(tài)等有關采用電負性氣體如SF6可以降低擊穿的分散性增加氣壓可以減少電極間隙，進而降低開關的火花通道電感1、二電極開關（續(xù)2）電極的表面狀態(tài)不僅影響開關的擊穿電壓，也影響擊穿電壓的分散性電極表面太毛糙，會使擊穿電壓顯著下降。新開關在使用之前，需要進行老化，局部的毛刺在這個過程中會被除去。但電極表面光潔度太高也不好。（一）氣體開關（續(xù)2）2、三電極開關（Trigatron）從兩電極開關發(fā)展而來主要構型有兩種在電極中心開孔，引入觸發(fā)針在開關電極的中心電位面為零處，放入圓環(huán)片，構成觸發(fā)電極外部觸發(fā)源可利用脈沖電壓、激光束或電子束來觸發(fā)2、三電極開關（續(xù)1）觸發(fā)針型開關的間隙的擊穿類型短時間擊穿過程長時間擊穿過程擊穿之前：

電容器C1充正高壓U1，稍低于G1、G0間擊穿電壓U1b，它與電極G1相連，G0通過負載接地處于零電位，觸發(fā)極Z通過觸發(fā)回路接地，也處于零電位。G1和Z之間有一個電場E1，G1和G0之間有一個電場E2，G0和Z之間有一個電場E3。初始E3為零，E1和E2相等。當有觸發(fā)脈沖加到觸發(fā)極上時，電極之間的電場就發(fā)生了變化2、三電極開關（續(xù)2）2、三電極開關（續(xù)3）短時間擊穿過程（快擊穿）觸發(fā)發(fā)生器產生一個負脈沖，觸發(fā)脈沖到達后，如果E1比E3大許多，則G1和Z之間首先擊穿，此時G1上原來的+U1電位就加到了Z上，使Z上的電位由-UZ變成+U1，這樣G0和Z之間的電壓差也變成U1，只要它大于G0和Z之間的擊穿場強，G0和Z也發(fā)生擊穿。這時間隙全部導通這種擊穿首先發(fā)生在極間距離較大的G1和Z之間，然后距離較短的G0和Z擊穿就更加容易了。與下面所說的長時間擊穿過程相比，時間較短（幾個到幾十個納秒），故稱短時間擊穿過程2、三電極開關（續(xù)4）長時間擊穿過程（慢擊穿）觸發(fā)回路給出一個正脈沖+UZ，當它加到觸發(fā)極上時，電極G1和Z之間的電場下降，G1和G0之間的電場不變，G0和Z之間的電場由零上升。如果G0和Z之間的場強足夠大，就可以發(fā)生擊穿，這時觸發(fā)極Z的電壓又下降到零，使G1和Z之間的場強回復到原來的水平，但G0和Z的擊穿過程中將產生電火花，造成氣體電離，可以使間隙全部擊穿這種擊穿過程速度較慢，因為第一次局部放電是發(fā)生在距離較近的G0和Z之間，而距離較大的主通道的擊穿是靠第一次火花放電造成的氣體電離來實現(xiàn)的，而且極間的場強并不高。故需要更長的時間（微秒量級）2、三電極開關（續(xù)5）兩種擊穿過程的特點短過程對觸發(fā)電容的要求不高：因為第一次在Z和G1之間，第二次在Z和G0之間，但這時Z已經和主電容器相連了。而長過程則需要觸發(fā)能量較大，以得到足夠強的電火花短擊穿過程的分析工作條件：導通前G1－Z，G1－G0長久耐電壓U1觸發(fā)脈沖到來時G1－Z擊穿，G0－Z不擊穿2、三電極開關（續(xù)6）短擊穿過程的分析（續(xù)1）工作條件：U1b為G1－Z間隙擊穿電壓；U2b為G0－Z間隙擊穿電壓2、三電極開關（續(xù)7）短擊穿過程的分析（續(xù)2）工作電壓和觸發(fā)電壓范圍

由前面的工作條件可以推出開關的工作電壓范圍（越大越好）和觸發(fā)電壓（越小越好）范圍（越大越好）如果2U2b增大到接近于U1b，則可以看出觸發(fā)脈沖UZ可以取很小的數(shù)值，但這樣工作電壓范圍就很窄了。如果2U2b減小，則U1min也減小，但這樣UZ的最小值就增加了，故此需要較大的觸發(fā)脈沖，并且范圍也窄了。2、三電極開關（續(xù)8）短擊穿過程的分析（續(xù)3）故此，這種三電極開關的工作電壓范圍與大的觸發(fā)脈沖范圍是矛盾的，但調整U1b和U2b的比值，可以取得適合需要的折中狀態(tài)。一般情況下要盡可能做到觸發(fā)脈沖電壓可以達到工作電壓的一半以上，以盡量減少延時和抖動。觸發(fā)環(huán)型開關觸發(fā)環(huán)位于開關兩個電極的間隙中間，它的工作原理略不同于觸發(fā)針開關。兩個間隙對稱，沒有長、短程擊穿的問題。3、場畸變開關場畸變開關適合在正、負對稱充電的電路中使用，其工作電壓和觸發(fā)電壓允許的范圍都廣，擊穿延時、抖動都比三電極觸發(fā)開關短，具有放電通道短、穩(wěn)定、以及多次放電分布均勻（壽命長）等優(yōu)點3、場畸變開關（續(xù)1）當3上有觸發(fā)脈沖時，電極間的電位發(fā)生了變化，圖中1、3間的電場加強了，故此1、3將發(fā)生放電，結果導致1、3電位相等，這樣電極2、3之間的電場又增強了，發(fā)生第二次放電完成導通3、場畸變開關（續(xù)2）與三電極開關的區(qū)別在于三電極開關只利用了擊穿過程中的火花照射，并沒有電場畸變過程。故此場畸變開關的觸發(fā)特性更好觸發(fā)極電阻和耦合電容對開關動作有影響：電阻太大，會抑制觸發(fā)極端部的預放電，對第一級擊穿不利；電阻太小，又會影響第二級擊穿。一般為數(shù)百歐，電容一般為100pF觸發(fā)電極位置對開關的工作電壓范圍和延時抖動有影響，一般電極放在主電極間0.5-0.7的位置4、電子束觸發(fā)開關4、電子束觸發(fā)開關（續(xù)1）當電子束從陰極注入，在到達陽極的過程中會導致空間電荷和碰撞電離，空間電荷增長率受電子束性質（能量、持續(xù)時間、截面等）和電極間電場、氣體種類的影響。如果空間電荷增長率極快，則二次電離就會導致開關導通。由于初始電子數(shù)目極多，開關的延時和抖動可以做到很小（1ns）這種開關可以做成重復頻率工作的開關（調整柵極的電壓）。當電子束撤去后，開關就會恢復到未導通的狀態(tài)。重復頻率可以做到10kHz，開關時間30ns，耐壓200kV和導通電流20kA。缺點是需要電子束發(fā)生器4、電子束觸發(fā)開關（續(xù)2）鐵電體電子束觸發(fā)開關近些年來，發(fā)展了一種用鐵電體觸發(fā)的高氣壓氣體間隙開關，名叫鐵電體觸發(fā)開關。它利用鐵電體極化反轉產生的電子發(fā)射作為引燃電子源而得名。這種開關，充氣壓力5～10MPa，耐壓約500kV，抖動50ps左右，重復頻率100～1000Hz，開關電流千安培左右。主要應用于高功率微波超寬帶（UWB）研究中。5、激光觸發(fā)開關氣體開關的觸發(fā)過程一般包括：間隙間初始電子空間電荷的增長速率足夠快以便二次電離維持以上狀態(tài)直到建立放電通道在電觸發(fā)中，上述的第一、二個過程是電子的碰撞電離產生的，于是擊穿延時就比較長。而在激光觸發(fā)開關中，激光束可以提供足夠的能量密度，從而增加電離效率，減少觸發(fā)延時和抖動5、激光觸發(fā)開關（續(xù)1）激光觸發(fā)開關的優(yōu)、缺點與主放電回路隔離，高低壓設備分開，更加安全觸發(fā)更加可靠，工作電壓可以更低，降低了誤觸發(fā)觸發(fā)延時短和抖動小主要缺點是需要激光器單元5、激光觸發(fā)開關（續(xù)2）5、激光觸發(fā)開關（續(xù)3）觸發(fā)方式電極表面觸發(fā)激光聚焦在電極表面，形成一個等離子體火球，這個球沿間隙運動，形成了一個電阻較小的細導電通道，在進一步與激光作用下，通道電阻繼續(xù)降低，直到間隙閉合。這種方法非常有效，因為等離子體球內的電離程度大大超過必要值。激光觸發(fā)可以得到亞ns的抖動和ns級的延時。5、激光觸發(fā)開關（續(xù)4）軸向空間觸發(fā)這時激光并不聚焦在電極上一點，這樣在激光束頭部針狀空間內氣體被電離，這個等離子體柱可以很快發(fā)展成導電通道。這種觸發(fā)進一步減少了通道的形成時間。有利于精確的同步控制。如利用40mJ的KrF激光器觸發(fā)2.8MV的開關可以得到亞ns的抖動。5、激光觸發(fā)開關（續(xù)5）橫向空間觸發(fā)下圖中的三電極開關主要由兩個平行的主電極（圖中是其截面）和一個觸發(fā)電極構成。這種開關的優(yōu)點：一是可以多通道工作，從而電感較小；二是可以方便的與平板傳輸線連接；三是多通道工作時主電極的燒蝕較輕。缺點是觸發(fā)極的燒蝕很嚴重。于是采用激光束平行照射電極（故稱橫向）取代觸發(fā)電極，就得到了既滿足低電感又有長壽命的開關。如軌道開關(rail-gap)。5、激光觸發(fā)開關（續(xù)6）橫向空間觸發(fā)（續(xù)）已經報導了60cm長500kV軌道開關，利用30mJ的KrF激光觸發(fā)，延時約50ns，抖動2ns6、低氣壓開關工作在Paschen曲線的底部，氣壓在50Pa左右6、低氣壓開關（續(xù)1）氫閘流管由陽極、柵極、障礙、熱陰極和儲氫裝置組成。柵極用來控制到達陽極電子的數(shù)目，觸發(fā)脈沖加到柵極后先導致柵極和陰極之間的電離擊穿，繼而引起陽極和陰極之間的擊穿。柵極距陽極小于一個電子自由程的距離，故不易和陽極間擊穿。障礙是用來限制電子的能量。工作范圍從幾kV～50kV，峰值電流可以達到5kA，電流上升速率1011A/s，重復頻率1kHz左右，抖動在ns量