大功率开关(一)

高压大功率开关（一）一、概述二、短路开关三、开路开关四、其它开关一、概述

开关是电路中接通或截断电功率的装置。高功率脉冲技术中，开关技术具有特别重要的地位。它不仅决定了脉冲功率装置的输出特性，甚至是脉冲功率系统成败的关键。一、概述（续）（一）开关的分类

根据脉冲功率的储能方式，开关可划分为两类：1、短路开关（closingswitch）2、开路开关（openingswitch）还有其它的划分标准，如工作介质、触发方式等等。（二）开关的作用对于短路开关1、适用于电容储能电路2、在储能过程中起隔离充电回路和放电回路的作用3、迅速闭合导通，构成放电回路4、在指令脉冲触发下工作，实现时间上与其他设备同步5、起截波陡化作用（二）开关的作用（续1）（二）开关的作用（续2）对于开路开关1、适用于电感储能电路2、迅速断开，将电流从一回路切换到另一回路（三）开关的基本结构开关主要由电极、工作介质、壳体和附属设备组成1、电极由一对主电极组成，在触发开关中还有触发电极2、开关介质一般采用气体、液体、固体或等离子体3、壳体起固定电极、容纳介质的作用，要求有机械强度和电强度4、附属设备根据开关的不同可能有气罐、管道、阀门、气泵、油循环设备、触发信号发生器、电极间隙调节结构等（四）开关的一般工作原理短路开关多运用绝缘介质的击穿特性，由绝缘状态到导电状态1、一般使用的机械开关动作时间太慢（ms量级），而介质的击穿过程，其速度要快得多，并且分散性相对较小2、当开关两端的电压达到或超过介质的击穿电压时，开关就可以导通3、对触发开关而言，主电极之间虽没有达到击穿程度，但一个主电极和触发极之间达到了击穿程度并发生放电，继而引起主电极之间的击穿（四）开关的一般工作原理（续）开路开关是由导电状态（闭合）到绝缘状态（断开）的开关，它主要有：1、金属丝电爆炸开关2、炸药爆炸开关3、等离子体开关4、真空断路器开关5、可控硅断路开关（五）开关的性能参数短路开关1、耐压能力2、通流能力3、动作时间和抖动（jitter）

开路开关1、通流能力2、开关阻抗的上升速率还有寿命和重复频率（五）开关的性能参数（续）A、外触发脉冲B、导通前耐压C、电压下降时间D、导通电压E、恢复时间F、延迟时间G、电流上升时间H、再次充电时间I、电流脉冲宽度J、峰值功率K、反转电压L、反转电流（去电离电流）M、吸收能量N、传输电荷量O、寿命P、可靠程度R、延时抖动（六）开关的工作范围不同开关工作的能量密度和状态的转换过程——固、液体开关较优（六）开关的工作范围（续1）不同开关的耐压值（六）开关的工作范围（续2）不同开关的最大电流——火花隙（气体）开关最佳（七）开关的时延开关的时延包括两个方面，一是开关火花通道的建立时间（也称击穿时延），二是通道建立后，由开关所在回路参数决定的电流上升时间对于自击穿开关，击穿时延是从脉冲电压超过击穿电压起，到间隙导通所花的时间；对于触发开关，击穿时延是从触发脉冲到达间隙起，到间隙导通所花的时间（七）开关的时延（续）击穿时延d由平均统计时延s和放电形成时延f两部分构成。s是由电压加到间隙的瞬间到出现有效雪崩电子的时间间隔，它与初始电离强度、气压及气体种类等有关，它具有随机性；f是从有效雪崩电子出现到流注形成建立通道所需的时间。由于放电的随机性，导致间隙每次d值都不相同。故取多次放电的平均值作为平均延时，同时也可以确定其分散性j。好的开关d和j都要小，特别是j要小（八）开关电流的上升时间开关电流的上升时间（与开关两端电压下降时间近似相同）既与开关的特性有关，也受回路参数的影响。一般认为开关电流的上升时间近似是两部分之和：一个是电阻项（等离子体通道被加热和膨胀需要时间），另一个是电感项（电路参数的限制）。下面列出了近似的经验公式（马丁公式）二、短路开关（一）气体开关气体开关是利用气体的击穿特性（Townsend理论、流注理论、Pashen定律等）工作的开关，因为其结构简单、容易操作等优点得到了广泛的应用开关主要包括两个主电极，中间充气体用作绝缘。开关动作包括过电压自击穿和外触发击穿（需要第三个电极或其它如光、电子束等触发机制）两种（一）气体开关（续1）1、二电极开关这是一种自击穿开关不仅气体，液体和固体开关都可以采用自击穿工作模式。其特点是非常容易制造例如Marx发生器的后几级开关是自击穿开关有些Blumlein线的主开关也采用自击穿开关1、二电极开关（续1）开关的击穿电压在电压上升较慢的情况下可以根据气体击穿规律得到。如果电极的形状使得极间电场不均匀，则要考虑场增强因素。但如果电压脉冲上升很快，则击穿电压需要更高击穿电压与气体种类、压力、极间间隙、电极形状、电极表面状态等有关采用电负性气体如SF6可以降低击穿的分散性增加气压可以减少电极间隙，进而降低开关的火花通道电感1、二电极开关（续2）电极的表面状态不仅影响开关的击穿电压，也影响击穿电压的分散性电极表面太毛糙，会使击穿电压显著下降。新开关在使用之前，需要进行老化，局部的毛刺在这个过程中会被除去。但电极表面光洁度太高也不好。（一）气体开关（续2）2、三电极开关（Trigatron）从两电极开关发展而来主要构型有两种在电极中心开孔，引入触发针在开关电极的中心电位面为零处，放入圆环片，构成触发电极外部触发源可利用脉冲电压、激光束或电子束来触发2、三电极开关（续1）触发针型开关的间隙的击穿类型短时间击穿过程长时间击穿过程击穿之前：

电容器C1充正高压U1，稍低于G1、G0间击穿电压U1b，它与电极G1相连，G0通过负载接地处于零电位，触发极Z通过触发回路接地，也处于零电位。G1和Z之间有一个电场E1，G1和G0之间有一个电场E2，G0和Z之间有一个电场E3。初始E3为零，E1和E2相等。当有触发脉冲加到触发极上时，电极之间的电场就发生了变化2、三电极开关（续2）2、三电极开关（续3）短时间击穿过程（快击穿）触发发生器产生一个负脉冲，触发脉冲到达后，如果E1比E3大许多，则G1和Z之间首先击穿，此时G1上原来的+U1电位就加到了Z上，使Z上的电位由-UZ变成+U1，这样G0和Z之间的电压差也变成U1，只要它大于G0和Z之间的击穿场强，G0和Z也发生击穿。这时间隙全部导通这种击穿首先发生在极间距离较大的G1和Z之间，然后距离较短的G0和Z击穿就更加容易了。与下面所说的长时间击穿过程相比，时间较短（几个到几十个纳秒），故称短时间击穿过程2、三电极开关（续4）长时间击穿过程（慢击穿）触发回路给出一个正脉冲+UZ，当它加到触发极上时，电极G1和Z之间的电场下降，G1和G0之间的电场不变，G0和Z之间的电场由零上升。如果G0和Z之间的场强足够大，就可以发生击穿，这时触发极Z的电压又下降到零，使G1和Z之间的场强回复到原来的水平，但G0和Z的击穿过程中将产生电火花，造成气体电离，可以使间隙全部击穿这种击穿过程速度较慢，因为第一次局部放电是发生在距离较近的G0和Z之间，而距离较大的主通道的击穿是靠第一次火花放电造成的气体电离来实现的，而且极间的场强并不高。故需要更长的时间（微秒量级）2、三电极开关（续5）两种击穿过程的特点短过程对触发电容的要求不高：因为第一次在Z和G1之间，第二次在Z和G0之间，但这时Z已经和主电容器相连了。而长过程则需要触发能量较大，以得到足够强的电火花短击穿过程的分析工作条件：导通前G1－Z，G1－G0长久耐电压U1触发脉冲到来时G1－Z击穿，G0－Z不击穿2、三电极开关（续6）短击穿过程的分析（续1）工作条件：U1b为G1－Z间隙击穿电压；U2b为G0－Z间隙击穿电压2、三电极开关（续7）短击穿过程的分析（续2）工作电压和触发电压范围

由前面的工作条件可以推出开关的工作电压范围（越大越好）和触发电压（越小越好）范围（越大越好）如果2U2b增大到接近于U1b，则可以看出触发脉冲UZ可以取很小的数值，但这样工作电压范围就很窄了。如果2U2b减小，则U1min也减小，但这样UZ的最小值就增加了，故此需要较大的触发脉冲，并且范围也窄了。2、三电极开关（续8）短击穿过程的分析（续3）故此，这种三电极开关的工作电压范围与大的触发脉冲范围是矛盾的，但调整U1b和U2b的比值，可以取得适合需要的折中状态。一般情况下要尽可能做到触发脉冲电压可以达到工作电压的一半以上，以尽量减少延时和抖动。触发环型开关触发环位于开关两个电极的间隙中间，它的工作原理略不同于触发针开关。两个间隙对称，没有长、短程击穿的问题。3、场畸变开关场畸变开关适合在正、负对称充电的电路中使用，其工作电压和触发电压允许的范围都广，击穿延时、抖动都比三电极触发开关短，具有放电通道短、稳定、以及多次放电分布均匀（寿命长）等优点3、场畸变开关（续1）当3上有触发脉冲时，电极间的电位发生了变化，图中1、3间的电场加强了，故此1、3将发生放电，结果导致1、3电位相等，这样电极2、3之间的电场又增强了，发生第二次放电完成导通3、场畸变开关（续2）与三电极开关的区别在于三电极开关只利用了击穿过程中的火花照射，并没有电场畸变过程。故此场畸变开关的触发特性更好触发极电阻和耦合电容对开关动作有影响：电阻太大，会抑制触发极端部的预放电，对第一级击穿不利；电阻太小，又会影响第二级击穿。一般为数百欧，电容一般为100pF触发电极位置对开关的工作电压范围和延时抖动有影响，一般电极放在主电极间0.5-0.7的位置4、电子束触发开关4、电子束触发开关（续1）当电子束从阴极注入，在到达阳极的过程中会导致空间电荷和碰撞电离，空间电荷增长率受电子束性质（能量、持续时间、截面等）和电极间电场、气体种类的影响。如果空间电荷增长率极快，则二次电离就会导致开关导通。由于初始电子数目极多，开关的延时和抖动可以做到很小（1ns）这种开关可以做成重复频率工作的开关（调整栅极的电压）。当电子束撤去后，开关就会恢复到未导通的状态。重复频率可以做到10kHz，开关时间30ns，耐压200kV和导通电流20kA。缺点是需要电子束发生器4、电子束触发开关（续2）铁电体电子束触发开关近些年来，发展了一种用铁电体触发的高气压气体间隙开关，名叫铁电体触发开关。它利用铁电体极化反转产生的电子发射作为引燃电子源而得名。这种开关，充气压力5～10MPa，耐压约500kV，抖动50ps左右，重复频率100～1000Hz，开关电流千安培左右。主要应用于高功率微波超宽带（UWB）研究中。5、激光触发开关气体开关的触发过程一般包括：间隙间初始电子空间电荷的增长速率足够快以便二次电离维持以上状态直到建立放电通道在电触发中，上述的第一、二个过程是电子的碰撞电离产生的，于是击穿延时就比较长。而在激光触发开关中，激光束可以提供足够的能量密度，从而增加电离效率，减少触发延时和抖动5、激光触发开关（续1）激光触发开关的优、缺点与主放电回路隔离，高低压设备分开，更加安全触发更加可靠，工作电压可以更低，降低了误触发触发延时短和抖动小主要缺点是需要激光器单元5、激光触发开关（续2）5、激光触发开关（续3）触发方式电极表面触发激光聚焦在电极表面，形成一个等离子体火球，这个球沿间隙运动，形成了一个电阻较小的细导电通道，在进一步与激光作用下，通道电阻继续降低，直到间隙闭合。这种方法非常有效，因为等离子体球内的电离程度大大超过必要值。激光触发可以得到亚ns的抖动和ns级的延时。5、激光触发开关（续4）轴向空间触发这时激光并不聚焦在电极上一点，这样在激光束头部针状空间内气体被电离，这个等离子体柱可以很快发展成导电通道。这种触发进一步减少了通道的形成时间。有利于精确的同步控制。如利用40mJ的KrF激光器触发2.8MV的开关可以得到亚ns的抖动。5、激光触发开关（续5）横向空间触发下图中的三电极开关主要由两个平行的主电极（图中是其截面）和一个触发电极构成。这种开关的优点：一是可以多通道工作，从而电感较小；二是可以方便的与平板传输线连接；三是多通道工作时主电极的烧蚀较轻。缺点是触发极的烧蚀很严重。于是采用激光束平行照射电极（故称横向）取代触发电极，就得到了既满足低电感又有长寿命的开关。如轨道开关(rail-gap)。5、激光触发开关（续6）横向空间触发（续）已经报导了60cm长500kV轨道开关，利用30mJ的KrF激光触发，延时约50ns，抖动2ns6、低气压开关工作在Paschen曲线的底部，气压在50Pa左右6、低气压开关（续1）氢闸流管由阳极、栅极、障碍、热阴极和储氢装置组成。栅极用来控制到达阳极电子的数目，触发脉冲加到栅极后先导致栅极和阴极之间的电离击穿，继而引起阳极和阴极之间的击穿。栅极距阳极小于一个电子自由程的距离，故不易和阳极间击穿。障碍是用来限制电子的能量。工作范围从几kV～50kV，峰值电流可以达到5kA，电流上升速率1011A/s，重复频率1kHz左右，抖动在ns量