脈沖功率開關(guān)技術(shù)

脈沖功率開關(guān)技術(shù)第1頁/共63頁脈沖功率系統(tǒng)開關(guān)的工作特點(diǎn)：高電壓；大電流；快速（開通時(shí)間微秒至納秒）脈沖功率開關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)：工作的可靠性（該動(dòng)作時(shí)必須動(dòng)作，不該動(dòng)作時(shí)絕不動(dòng)作）精確的可控性（分散性小）第2頁/共63頁脈沖功率開關(guān)的種類

脈沖大電流開關(guān)的種類很多，沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，一般以開關(guān)的某一主要特征來進(jìn)行分類。以開關(guān)的觸發(fā)機(jī)理來分，可分為引燃管、三電極開關(guān)、激光觸發(fā)開關(guān)等；以開關(guān)主電極的特性來分，可分為場(chǎng)畸變開關(guān)、空心陰極開關(guān)、熱陰極開關(guān)、表面放電開關(guān)等。以開關(guān)的動(dòng)作意圖來分，可分為閉合開關(guān)和斷路開關(guān)。第3頁/共63頁

以上各種分類方式都不是絕對(duì)的，有時(shí)會(huì)互相交叉，不管怎么分，所有開關(guān)都有一些共性?？偫ㄆ饋?，開關(guān)主要有以下幾種：閘流管、火花氣體開關(guān)、激光觸發(fā)開關(guān)、真空開關(guān)、爆炸斷路開關(guān)、等離子體壓縮斷路開關(guān)、熔絲、金屬箔熔片、低壓反射開關(guān)、利用柵極控制等離子體的大功率斷路開關(guān)、等離子體融蝕開關(guān)、反箍縮等離子體開關(guān)、磁開關(guān)、光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)、表面放電開關(guān)等。第4頁/共63頁第5頁/共63頁開關(guān)的工作特性描述第6頁/共63頁Ａ：間隙觸發(fā)極上加上外觸發(fā)脈沖Ｂ：間隙直流充電后的維持電壓Ｃ：間隙擊穿開始后，電壓發(fā)生下降，從90%到10%之間的時(shí)間間隔為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，相當(dāng)于開關(guān)電阻項(xiàng)過程Ｄ：開關(guān)持續(xù)時(shí)間，電壓降加在開關(guān)電阻上，決定于開關(guān)電路Ｅ：反轉(zhuǎn)時(shí)間，由電路引起的電壓反極性Ｆ：延時(shí)時(shí)間，由觸發(fā)脈沖開始（峰值）到開關(guān)開始導(dǎo)通Ｇ：開關(guān)電流上升時(shí)間，定義為10%-90%峰值相應(yīng)的時(shí)間間隔Ｈ：間隙再充電時(shí)間，反轉(zhuǎn)結(jié)束到充電至維持電壓Ｉ：電流脈沖寬度（定義為半高寬度值），指開關(guān)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間第7頁/共63頁Ｊ：峰值功率，在同一時(shí)刻電壓和電流的乘積，指開關(guān)耗散的功率Ｋ：峰值反轉(zhuǎn)電壓，有利于開關(guān)的熄?。蹋悍逯捣崔D(zhuǎn)電流Ｍ：開關(guān)吸收的總能量，電壓和電流乘積對(duì)時(shí)間的積分Ｎ：傳輸總電荷量，放電時(shí)通過開關(guān)的總電荷量Ｏ：開關(guān)的可靠性，運(yùn)行一定次數(shù)下，失誤與成功的比率Ｐ：開關(guān)的壽命，在額定運(yùn)行條件下，總的工作次數(shù)Ｒ：開關(guān)的延時(shí)抖動(dòng)，多個(gè)開關(guān)同步運(yùn)行時(shí)有所要求第8頁/共63頁第9頁/共63頁P(yáng)：開關(guān)中所充氣壓；d為間隙距離；i為開關(guān)通道中電流；a為常數(shù)第10頁/共63頁火花放電時(shí)間常數(shù)，表征火花電導(dǎo)率增長的特征時(shí)間。正比于1/E2；當(dāng)pd為常數(shù)時(shí)，正比于1/p。第11頁/共63頁第12頁/共63頁

定義為開關(guān)每次放電過程中，通過開關(guān)的總電荷數(shù)。i為放電電流，取絕對(duì)值，正反向電荷都要疊加在一起。第13頁/共63頁幾種常見開關(guān)的簡單介紹氣體火花開關(guān)偽火花隙開關(guān)激光觸發(fā)多通道開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)第14頁/共63頁氣體火花開關(guān)是指間隙氣壓在100kPa或以上的開關(guān)（即在常壓下或超過常壓）?；鸹ㄩ_關(guān)具有工作電壓高、通流能力強(qiáng)、傳遞電荷量大的優(yōu)點(diǎn)，但是工作重復(fù)頻率較低?；鸹ㄩ_關(guān)擊穿的機(jī)理是流注理論。氣體火花開關(guān)有：兩電極開關(guān)三電極開關(guān)第15頁/共63頁氣體火花開關(guān)的工作原理流注放電理論（高電壓技術(shù)）擊穿的幾個(gè)過程：初始（有效）電子的產(chǎn)生帶電粒子運(yùn)動(dòng)及與氣體分子相互作用碰撞電離與一次電子崩形成光電離與二次電子崩形成流注形成與放電第16頁/共63頁三電極觸發(fā)氣體火花開關(guān)

圖2.1三電極觸發(fā)氣體火花開關(guān)的原理圖

三電極觸發(fā)氣體火花開關(guān)的基本原理如圖2.1所示，電極1和2為主電極，主電極之間的間隙為主間隙，開關(guān)的電壓就加在這對(duì)主電極上，電極3為觸發(fā)電極。在開關(guān)放電前，電極3上沒有加電壓，當(dāng)觸發(fā)脈沖電壓加到電極3后，開關(guān)在觸發(fā)電壓的作用下才擊穿。目前所有的高電壓開關(guān)（兆伏級(jí)）都是三電極觸發(fā)氣體開關(guān)。第17頁/共63頁第18頁/共63頁第19頁/共63頁三電極開關(guān)是在兩電極開關(guān)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用做外觸發(fā)開關(guān)。主要構(gòu)型分為兩種：一種是在一個(gè)電極中心開孔，引入觸發(fā)針，如6-4(b)所示另一種是在開關(guān)電極的中間平面部位，即中心電位面為零處，放入圓環(huán)片，構(gòu)成觸發(fā)電極，如6-4(c)所示。外部觸發(fā)源可利用脈沖電壓，激光束或電子束來觸發(fā)，激光束和電子束主是在間隙產(chǎn)生引起擊穿的初始種子電子。第20頁/共63頁第21頁/共63頁第22頁/共63頁第23頁/共63頁

短時(shí)間擊穿，需要一個(gè)幅度高，上升快的負(fù)觸發(fā)脈沖，對(duì)觸發(fā)能量要求不高，擊穿主要靠過電壓實(shí)現(xiàn)。長時(shí)間擊穿就不同了，需要一定的觸發(fā)能量，第二次擊穿靠氣體電離。第24頁/共63頁第25頁/共63頁第26頁/共63頁第27頁/共63頁第28頁/共63頁第29頁/共63頁第30頁/共63頁電場(chǎng)畸變型氣體火花開關(guān)

圖中1，2為主電極，3為觸發(fā)電極。觸發(fā)電極3處在電極1、2間某一等位線位置，它在間隙中的電位用電阻R1、R2來控制，使電極3的電位按電極1、3間的距離和電極2、3間的距離分配。因?yàn)殡姌O3的尺寸小，所以在觸發(fā)脈沖加到電極3之前，可以認(rèn)為電極1、2間的電位分布沒有因?yàn)殡姌O3而改變。第31頁/共63頁

未觸發(fā)前主電極的電場(chǎng)分布較均勻，當(dāng)觸發(fā)脈沖加到電極3上后，電極3邊緣的電場(chǎng)急劇增大，使電場(chǎng)畸變，同時(shí)產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射，因而引起電場(chǎng)畸變較大的一側(cè)先擊穿。然后由于放電通道的連接作用，觸發(fā)電極電位變成與擊穿側(cè)電極同電位，另一側(cè)間隙因受到第一級(jí)擊穿照射和過電壓的作用而迅速擊穿。場(chǎng)畸變開關(guān)的特點(diǎn)是觸發(fā)特性良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不復(fù)雜，但是，由于有一個(gè)中間電極，存在著分壓問題和對(duì)與中間電極的相連的觸發(fā)系統(tǒng)的高壓倒灌問題，到目前為止，場(chǎng)畸變型開關(guān)的工作電壓不是太高。第32頁/共63頁觸發(fā)真空開關(guān)--TVS（觸發(fā)真空間隙--TVG）

觸發(fā)真空開關(guān)工作氣壓在10-4Pa以下，目前對(duì)于真空擊穿的機(jī)理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為觸發(fā)真空開關(guān)的工作過程包括觸發(fā)階段和主間隙導(dǎo)通階段這兩個(gè)主要階段。細(xì)分又包括：觸發(fā)、導(dǎo)通、熄滅、恢復(fù)四過程?，F(xiàn)以如圖1.2所示的三電極系統(tǒng)為例來說明其工作原理。第33頁/共63頁陽極陰極觸發(fā)極圖1.2平板型三電極真空開關(guān)第34頁/共63頁真空開關(guān)的觸發(fā)方式觸發(fā)方式主要可分為三種：（1）等離子體觸發(fā)，（2）電子束觸發(fā)，（3）激光束觸發(fā)。陽極陰極觸發(fā)極

圖1.3等離子體沿面放電觸發(fā)原理圖圖1.4激光觸發(fā)間隙第35頁/共63頁贗火花開關(guān)（Pseudo-sparkSwitch,PSS）贗火花開關(guān)是一種低氣壓（氣壓1-80Pa）的氣體放電開關(guān)，工作在巴申曲線極小值的左邊，此時(shí)電子的平均自由程可與電極間隙距離相比或更長。其結(jié)構(gòu)圖如圖1.10。第36頁/共63頁贗火花開關(guān)的觸發(fā)方式有如下幾種1——平板觸發(fā)電極;2——空心觸發(fā)電極;3——開關(guān)空心陰極背面;4——電荷注入圖1.11電荷注入觸發(fā)的原理圖

電荷注入式，如圖1.11所示，在空心陰極背面之外有一平板觸發(fā)電極和一空心預(yù)電離電極，在預(yù)電離電極上加有數(shù)百伏直流負(fù)電壓產(chǎn)生預(yù)電離（0.1-1mA)。當(dāng)平板電極上突然施加2-5kV負(fù)極性觸發(fā)脈沖時(shí)，預(yù)電離產(chǎn)生的電子得到加速而進(jìn)入贗火花放電室。這種觸發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)是觸發(fā)單元不影響主放電，也不易被開關(guān)中通過的大電流所損傷，因此開關(guān)的壽命可達(dá)億次，重復(fù)頻率可較高。第37頁/共63頁1——充氣口;2——抽真空;3——開關(guān)空心電極;4——網(wǎng)狀電極;5——觸發(fā)電極;6——電介質(zhì)圖1.12用電暈電極觸發(fā)的原理圖第38頁/共63頁第39頁/共63頁大功率超高速半導(dǎo)體開關(guān)RSD(ReverselySwitch-onDynistor)

RSD(ReverselySwitch-onDynistor)是由俄羅斯I.V.Grekhov等人提出的一種新型高功率半導(dǎo)體閉合開關(guān)。它通過在發(fā)射結(jié)平面形成的均勻電子－空穴等離子體層代替門極來解決晶閘管的觸發(fā)問題。第40頁/共63頁半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，主要受以正常溫度下電荷載流子的遷移率和密度的限制。傳導(dǎo)較強(qiáng)的電流需要較大的導(dǎo)電區(qū)域。由于受載流子漂移距離的限制，不能像氣體開關(guān)那樣調(diào)整電極間距，所以提高開關(guān)功率只能增加載流通道的面積。第41頁/共63頁晶閘管

可控硅是一種pnpn層序的四層結(jié)構(gòu)電力電子器件。有三個(gè)pn結(jié)，也可以看作是一對(duì)共用集電結(jié)的npn和pnp晶體管。每個(gè)晶體管的基極都有一個(gè)來自另一個(gè)晶體管集電極的驅(qū)動(dòng)電流。三種工作模式：反向截止正向截止導(dǎo)通狀態(tài)第42頁/共63頁沒有外界作用，晶閘管不會(huì)從導(dǎo)電狀態(tài)恢復(fù)到阻止?fàn)顟B(tài)。如果要重新恢復(fù)晶閘管的阻止能力，必須降低電荷密度，使其低于臨界值。第43頁/共63頁第44頁/共63頁圖1.6晶閘管的導(dǎo)通擴(kuò)展過程第45頁/共63頁第46頁/共63頁第47頁/共63頁第48頁/共63頁重復(fù)頻率氣體火花開關(guān)的絕緣恢復(fù)特性

重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)是當(dāng)前脈沖功率技術(shù)發(fā)展的重要方向。重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)的關(guān)鍵之一是開關(guān)技術(shù)。重復(fù)頻率氣體火花開關(guān)的工作極限頻率取決于氣體間隙在重復(fù)頻率下絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)時(shí)間。第49頁/共63頁第50頁/共63頁第51頁/共63頁提高非吹氣火花間隙開關(guān)重復(fù)頻率的措施：采用H2作開關(guān)的工作介質(zhì)，因?yàn)閷?duì)于非吹氣狀態(tài)下，諸如空氣、N2、SF6、Ar等大多數(shù)氣體的絕緣恢復(fù)時(shí)間大約為幾十毫秒（如圖2.10所示），而H2憑借較快的分子速度和較好的熱擴(kuò)散性，使開關(guān)絕緣恢復(fù)時(shí)間快了一個(gè)數(shù)量級(jí)（幾毫秒）；改善開關(guān)的工作方式，如開關(guān)工作電壓小于等于其直流靜態(tài)擊穿電壓的一半，使介質(zhì)氣體在溫度較高、密度較低的情況下仍能承受工作電壓而不擊穿；觸發(fā)極施加較高幅值及較大陡度的觸發(fā)電壓等。第52頁/共63頁運(yùn)用吹氣技術(shù)的高重復(fù)頻率氣體火花開關(guān)

第53頁/共63頁采用均勻電場(chǎng)、吹氣技術(shù)和提高工作氣壓等方法來達(dá)到目的，普遍認(rèn)為重復(fù)頻率氣體火花開關(guān)必須滿足以下要求：極間電場(chǎng)應(yīng)盡可能大面積均勻分布；電極間氣體流動(dòng)不存在“死區(qū)”；氣體流向要有利于帶電粒子盡快恢復(fù)；選擇使開關(guān)工作穩(wěn)定、壽命長的電極材料；選擇介電強(qiáng)度恢復(fù)速度快且無污染和危險(xiǎn)的氣體介質(zhì)。第54頁/共63頁開關(guān)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)電場(chǎng)類型電極材料氣體種類氣體壓強(qiáng)絕緣長度第55頁/共63頁三電極開關(guān)的典型波形第56頁/共63頁脈沖大電流開關(guān)技術(shù)涉及到的研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：電介質(zhì)擊穿特性的研究。這關(guān)系到開關(guān)絕緣的合理采用；開關(guān)中放電模型的研究。包括絕緣的擊穿過程、影響放電的因素、等離子體的穩(wěn)定性、以及外加電磁場(chǎng)對(duì)放電等離子體的影響等；放電產(chǎn)物的研究。包括放電產(chǎn)物對(duì)開關(guān)特性的影響，對(duì)開關(guān)恢復(fù)特性的影響，對(duì)開關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)的影響以及對(duì)開關(guān)電極的影響等；第57頁/共63頁開關(guān)電極表面物理過程的研究。主要包括開關(guān)電極燒蝕過程的研究以及開關(guān)電極表面對(duì)放電過程的影響等。此外還有氣體液體中放電流體動(dòng)力學(xué)的研究，其它各種開關(guān)如固體介質(zhì)開關(guān)、磁開關(guān)和超導(dǎo)開關(guān)、半導(dǎo)體開關(guān)以及各種形式的切斷開關(guān)的研究等。第58頁/共63頁描述開關(guān)特性的主要參數(shù)

如果忽略一個(gè)開關(guān)元件的內(nèi)部工作原理和特定的開關(guān)特性，僅僅把開關(guān)元件作為一個(gè)帶有主電極端子和控制電極端子的黑盒子，而不考慮它是火花間隙還是固態(tài)開關(guān)等具體的開關(guān)形態(tài)，則一個(gè)脈沖大電流開關(guān)性能的主要技術(shù)參數(shù)可以用以下一組參數(shù)來描述這個(gè)黑盒子的特性。第59頁/共63頁

最小觸發(fā)電壓Ut(min)：能保證開關(guān)主間隙可靠導(dǎo)通的所加觸發(fā)電壓不得