1、1脈沖功率系統(tǒng)的開關(guān)脈沖功率系統(tǒng)的開關(guān)在高功率脈沖發(fā)生器中，開關(guān)是最重要的器件之一，它起著連接儲能器件與負載的作用。脈沖功率系統(tǒng)中開關(guān)的作用：能量的轉(zhuǎn)換，（switch），通過開關(guān)的動作（斷開或閉合），來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。開關(guān)具有下列特性：電導(dǎo)率的變化范圍應(yīng)盡可能大，即要在完全絕緣體至導(dǎo)體之間變化；電導(dǎo)率的變化速度盡可能快。2脈沖功率系統(tǒng)開關(guān)的工作特點：l高電壓；l大電流；l快速（開通時間微秒至納秒）脈沖功率開關(guān)的技術(shù)難點：l工作的可靠性（該動作時必須動作，不該動作時絕不動作）l精確的可控性（分散性小）3脈沖功率開關(guān)的種類脈沖功率開關(guān)的種類 脈沖大電流開關(guān)的種類很多，沒有統(tǒng)一的分類標準，一般以開

2、關(guān)的某一主要特征來進行分類。 以開關(guān)的觸發(fā)機理來分，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)的動作意圖來分，可分為閉合開關(guān)和斷路開關(guān)。4 以上各種分類方式都不是絕對的，有時會互相交叉，不管怎么分，所有開關(guān)都有一些共性。 總括起來，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。56開關(guān)的工作特性描述7

3、：間隙觸發(fā)極上加上外觸發(fā)脈沖：間隙直流充電后的維持電壓：間隙擊穿開始后，電壓發(fā)生下降，從90%到10%之間的時間間隔為開關(guān)導(dǎo)通時間，相當(dāng)于開關(guān)電阻項過程：開關(guān)持續(xù)時間，電壓降加在開關(guān)電阻上，決定于開關(guān)電路：反轉(zhuǎn)時間，由電路引起的電壓反極性：延時時間，由觸發(fā)脈沖開始（峰值）到開關(guān)開始導(dǎo)通：開關(guān)電流上升時間，定義為10%-90%峰值相應(yīng)的時間間隔：間隙再充電時間，反轉(zhuǎn)結(jié)束到充電至維持電壓：電流脈沖寬度（定義為半高寬度值），指開關(guān)導(dǎo)通持續(xù)時間8：峰值功率，在同一時刻電壓和電流的乘積，指開關(guān)耗散的功率：峰值反轉(zhuǎn)電壓，有利于開關(guān)的熄弧：峰值反轉(zhuǎn)電流：開關(guān)吸收的總能量，電壓和電流乘積對時間的積分：傳輸總電

4、荷量，放電時通過開關(guān)的總電荷量：開關(guān)的可靠性，運行一定次數(shù)下，失誤與成功的比率：開關(guān)的壽命，在額定運行條件下，總的工作次數(shù)：開關(guān)的延時抖動，多個開關(guān)同步運行時有所要求910p：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)11火花放電時間常數(shù)，表征火花電導(dǎo)率增長的特征時間。 正比于1/e2；當(dāng)pd為常數(shù)時，正比于1/p。1213 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，取絕對值，正反向電荷都要疊加在一起。14幾種常見開關(guān)的簡單介紹幾種常見開關(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) 15氣體火花開關(guān)氣體火花開關(guān) 是指間隙氣壓在100

5、kpa或以上的開關(guān)（即在常壓下或超過常壓）。火花開關(guān)具有工作電壓高、通流能力強、傳遞電荷量大的優(yōu)點，但是工作重復(fù)頻率較低。火花開關(guān)擊穿的機理是流注理論。 氣體火花開關(guān)有： 兩電極開關(guān)三電極開關(guān)16氣體火花開關(guān)的工作原理流注放電理論（高電壓技術(shù)）擊穿的幾個過程：l初始（有效）電子的產(chǎn)生l帶電粒子運動及與氣體分子相互作用l碰撞電離與一次電子崩形成l光電離與二次電子崩形成l流注形成與放電17三電極觸發(fā)氣體火花開關(guān)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)的電壓就加在這對主電極上，

6、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）都是三電極觸發(fā)氣體開關(guān)。181920三電極開關(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。21222324 短時間擊穿，需要一個幅度高，上升快的負觸發(fā)脈沖，對觸發(fā)能量要求不高，擊穿

7、主要靠過電壓實現(xiàn)。 長時間擊穿就不同了，需要一定的觸發(fā)能量，第二次擊穿靠氣體電離。25262728293031電場畸變型氣體火花開關(guān)電場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。因為電極3的尺寸小，所以在觸發(fā)脈沖加到電極3之前，可以認為電極1、2間的電位分布沒有因為電極3而改變。32 未觸發(fā)前主電極的電場分布較均勻，當(dāng)觸發(fā)脈沖加到電極3上后，電極3邊緣的電場急劇增大，使電場畸變，同時產(chǎn)生場致發(fā)射，因而引起電場畸變較大的一側(cè)先擊穿。 然后由于放

8、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)間隙因受到第一級擊穿照射和過電壓的作用而迅速擊穿。 場畸變開關(guān)的特點是觸發(fā)特性良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不復(fù)雜，但是，由于有一個中間電極，存在著分壓問題和對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，場畸變型開關(guān)的工作電壓不是太高。33觸發(fā)真空開關(guān)觸發(fā)真空開關(guān)-tvs （觸發(fā)真空間（觸發(fā)真空間隙隙-tvg） 觸發(fā)真空開關(guān)工作氣壓在10-4pa以下，目前對于真空擊穿的機理還沒有統(tǒng)一的認識。 一般認為觸發(fā)真空開關(guān)的工作過程包括觸發(fā)階段和主間隙導(dǎo)通階段這兩個主要階段。 細分又包括：觸發(fā)、導(dǎo)通、熄滅、恢復(fù)四過程。現(xiàn)以如圖1.2所示的三電極系統(tǒng)

9、為例來說明其工作原理。34陽極陰極觸發(fā)極圖1.2 平板型三電極真空開關(guān)35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36贗火花開關(guān)（贗火花開關(guān)（pseudo-spark switch,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。 37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

10、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負極性觸發(fā)脈沖時，預(yù)電離產(chǎn)生的電子得到加速而進入贗火花放電室。這種觸發(fā)方式的優(yōu)點是觸發(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)的壽命可達億次，重復(fù)頻率可較高。381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3940大功率超高速半導(dǎo)體開關(guān)大功率超高速半導(dǎo)體開關(guān)rsd(reversely switch-on dynis

11、tor)rsd(reversely switch-on dynistor)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。41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。42晶閘管晶閘管 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pn結(jié)，也可以看作是一對共用集電結(jié)的npn和pnp晶體管。每個晶體管的基極都有一個來自另一個晶

12、體管集電極的驅(qū)動電流。三種工作模式：反向截止正向截止導(dǎo)通狀態(tài)43沒有外界作用，晶閘管不會從導(dǎo)電狀態(tài)恢復(fù)到阻止狀態(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。4445圖1.6 晶閘管的導(dǎo)通擴展過程46474849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)頻率下絕緣強度的恢復(fù)時間。505152提高非吹氣火花間隙開關(guān)重復(fù)頻率的措施：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)，因為對于非吹氣狀態(tài)下，諸如空氣、n2、

13、sf6、ar等大多數(shù)氣體的絕緣恢復(fù)時間大約為幾十毫秒（如圖2.10所示），而h2憑借較快的分子速度和較好的熱擴散性，使開關(guān)絕緣恢復(fù)時間快了一個數(shù)量級（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。53運用吹氣技術(shù)的高重復(fù)頻率氣體火花開關(guān) 54 采用均勻電場、吹氣技術(shù)和提高工作氣壓等方法來達到目的，普遍認為重復(fù)頻率氣體火花開關(guān)必須滿足以下要求： 極間電場應(yīng)盡可能大面積均勻分布； 電極間氣體流動不存在“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)

14、工作穩(wěn)定、壽命長的電極材料； 選擇介電強度恢復(fù)速度快且無污染和危險的氣體介質(zhì)。 55開關(guān)設(shè)計的注意事項 電場類型 電極材料 氣體種類 氣體壓強 絕緣長度56三電極開關(guān)的典型波形57脈沖大電流開關(guān)技術(shù)涉及到的研究內(nèi)容脈沖大電流開關(guān)技術(shù)涉及到的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：l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；l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、以及外加電磁場對放電等離子體的影響等；l放電產(chǎn)物的研究。包括放電產(chǎn)物對開關(guān)特性的影響，對開關(guān)恢復(fù)特性的影響，對開關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)的影響以及對開關(guān)電極的影響等；58l開關(guān)電極表面物理過程的研究。主要包括開關(guān)電極

15、燒蝕過程的研究以及開關(guān)電極表面對放電過程的影響等。l此外還有氣體液體中放電流體動力學(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。59描述開關(guān)特性的主要參數(shù)描述開關(guān)特性的主要參數(shù) 如果忽略一個開關(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)來描述這個黑盒子的特性。60 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)電壓不得低于此電壓； 靜態(tài)自擊穿電壓us：在沒有任何觸發(fā)手段的情況下，開關(guān)間隙所能承受的最高電壓； 最大工作電壓：為了獲得可靠運行，開關(guān)主電極的最大工作電壓，約為靜態(tài)自擊穿電壓的80； 最小工作電壓：開關(guān)可靠運行的最小工作電壓，約為最大工作電壓的1/3； 工作范圍：開關(guān)最大與最小工作電壓之間的范圍； 擊穿時延td：從觸發(fā)電壓加到觸發(fā)電極瞬間起到開關(guān)完全導(dǎo)通的時間； 擊穿時延的分散性：在相同