脉冲功率开关技术

脉冲功率开关技术第1页/共63页脉冲功率系统开关的工作特点：高电压；大电流；快速（开通时间微秒至纳秒）脉冲功率开关的技术难点：工作的可靠性（该动作时必须动作，不该动作时绝不动作）精确的可控性（分散性小）第2页/共63页脉冲功率开关的种类

脉冲大电流开关的种类很多，没有统一的分类标准，一般以开关的某一主要特征来进行分类。以开关的触发机理来分，可分为引燃管、三电极开关、激光触发开关等；以开关主电极的特性来分，可分为场畸变开关、空心阴极开关、热阴极开关、表面放电开关等。以开关的动作意图来分，可分为闭合开关和断路开关。第3页/共63页

以上各种分类方式都不是绝对的，有时会互相交叉，不管怎么分，所有开关都有一些共性。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。第4页/共63页第5页/共63页开关的工作特性描述第6页/共63页Ａ：间隙触发极上加上外触发脉冲Ｂ：间隙直流充电后的维持电压Ｃ：间隙击穿开始后，电压发生下降，从90%到10%之间的时间间隔为开关导通时间，相当于开关电阻项过程Ｄ：开关持续时间，电压降加在开关电阻上，决定于开关电路Ｅ：反转时间，由电路引起的电压反极性Ｆ：延时时间，由触发脉冲开始（峰值）到开关开始导通Ｇ：开关电流上升时间，定义为10%-90%峰值相应的时间间隔Ｈ：间隙再充电时间，反转结束到充电至维持电压Ｉ：电流脉冲宽度（定义为半高宽度值），指开关导通持续时间第7页/共63页Ｊ：峰值功率，在同一时刻电压和电流的乘积，指开关耗散的功率Ｋ：峰值反转电压，有利于开关的熄弧Ｌ：峰值反转电流Ｍ：开关吸收的总能量，电压和电流乘积对时间的积分Ｎ：传输总电荷量，放电时通过开关的总电荷量Ｏ：开关的可靠性，运行一定次数下，失误与成功的比率Ｐ：开关的寿命，在额定运行条件下，总的工作次数Ｒ：开关的延时抖动，多个开关同步运行时有所要求第8页/共63页第9页/共63页P：开关中所充气压；d为间隙距离；i为开关通道中电流；a为常数第10页/共63页火花放电时间常数，表征火花电导率增长的特征时间。正比于1/E2；当pd为常数时，正比于1/p。第11页/共63页第12页/共63页

定义为开关每次放电过程中，通过开关的总电荷数。i为放电电流，取绝对值，正反向电荷都要叠加在一起。第13页/共63页几种常见开关的简单介绍气体火花开关伪火花隙开关激光触发多通道开关半导体开关第14页/共63页气体火花开关是指间隙气压在100kPa或以上的开关（即在常压下或超过常压）。火花开关具有工作电压高、通流能力强、传递电荷量大的优点，但是工作重复频率较低。火花开关击穿的机理是流注理论。气体火花开关有：两电极开关三电极开关第15页/共63页气体火花开关的工作原理流注放电理论（高电压技术）击穿的几个过程：初始（有效）电子的产生带电粒子运动及与气体分子相互作用碰撞电离与一次电子崩形成光电离与二次电子崩形成流注形成与放电第16页/共63页三电极触发气体火花开关

图2.1三电极触发气体火花开关的原理图

三电极触发气体火花开关的基本原理如图2.1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。第17页/共63页第18页/共63页第19页/共63页三电极开关是在两电极开关的基础上发展起来的，用做外触发开关。主要构型分为两种：一种是在一个电极中心开孔，引入触发针，如6-4(b)所示另一种是在开关电极的中间平面部位，即中心电位面为零处，放入圆环片，构成触发电极，如6-4(c)所示。外部触发源可利用脉冲电压，激光束或电子束来触发，激光束和电子束主是在间隙产生引起击穿的初始种子电子。第20页/共63页第21页/共63页第22页/共63页第23页/共63页

短时间击穿，需要一个幅度高，上升快的负触发脉冲，对触发能量要求不高，击穿主要靠过电压实现。长时间击穿就不同了，需要一定的触发能量，第二次击穿靠气体电离。第24页/共63页第25页/共63页第26页/共63页第27页/共63页第28页/共63页第29页/共63页第30页/共63页电场畸变型气体火花开关

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。第31页/共63页

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。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，由于有一个中间电极，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。第32页/共63页触发真空开关--TVS（触发真空间隙--TVG）

触发真空开关工作气压在10-4Pa以下，目前对于真空击穿的机理还没有统一的认识。一般认为触发真空开关的工作过程包括触发阶段和主间隙导通阶段这两个主要阶段。细分又包括：触发、导通、熄灭、恢复四过程。现以如图1.2所示的三电极系统为例来说明其工作原理。第33页/共63页阳极阴极触发极图1.2平板型三电极真空开关第34页/共63页真空开关的触发方式触发方式主要可分为三种：（1）等离子体触发，（2）电子束触发，（3）激光束触发。阳极阴极触发极

图1.3等离子体沿面放电触发原理图图1.4激光触发间隙第35页/共63页赝火花开关（Pseudo-sparkSwitch,PSS）赝火花开关是一种低气压（气压1-80Pa）的气体放电开关，工作在巴申曲线极小值的左边，此时电子的平均自由程可与电极间隙距离相比或更长。其结构图如图1.10。第36页/共63页赝火花开关的触发方式有如下几种1——平板触发电极;2——空心触发电极;3——开关空心阴极背面;4——电荷注入图1.11电荷注入触发的原理图

电荷注入式，如图1.11所示，在空心阴极背面之外有一平板触发电极和一空心预电离电极，在预电离电极上加有数百伏直流负电压产生预电离（0.1-1mA)。当平板电极上突然施加2-5kV负极性触发脉冲时，预电离产生的电子得到加速而进入赝火花放电室。这种触发方式的优点是触发单元不影响主放电，也不易被开关中通过的大电流所损伤，因此开关的寿命可达亿次，重复频率可较高。第37页/共63页1——充气口;2——抽真空;3——开关空心电极;4——网状电极;5——触发电极;6——电介质图1.12用电晕电极触发的原理图第38页/共63页第39页/共63页大功率超高速半导体开关RSD(ReverselySwitch-onDynistor)

RSD(ReverselySwitch-onDynistor)是由俄罗斯I.V.Grekhov等人提出的一种新型高功率半导体闭合开关。它通过在发射结平面形成的均匀电子－空穴等离子体层代替门极来解决晶闸管的触发问题。第40页/共63页半导体器件的开关特性，主要受以正常温度下电荷载流子的迁移率和密度的限制。传导较强的电流需要较大的导电区域。由于受载流子漂移距离的限制，不能像气体开关那样调整电极间距，所以提高开关功率只能增加载流通道的面积。第41页/共63页晶闸管

可控硅是一种pnpn层序的四层结构电力电子器件。有三个pn结，也可以看作是一对共用集电结的npn和pnp晶体管。每个晶体管的基极都有一个来自另一个晶体管集电极的驱动电流。三种工作模式：反向截止正向截止导通状态第42页/共63页没有外界作用，晶闸管不会从导电状态恢复到阻止状态。如果要重新恢复晶闸管的阻止能力，必须降低电荷密度，使其低于临界值。第43页/共63页第44页/共63页图1.6晶闸管的导通扩展过程第45页/共63页第46页/共63页第47页/共63页第48页/共63页重复频率气体火花开关的绝缘恢复特性

重复频率脉冲功率技术是当前脉冲功率技术发展的重要方向。重复频率脉冲功率技术的关键之一是开关技术。重复频率气体火花开关的工作极限频率取决于气体间隙在重复频率下绝缘强度的恢复时间。第49页/共63页第50页/共63页第51页/共63页提高非吹气火花间隙开关重复频率的措施：采用H2作开关的工作介质，因为对于非吹气状态下，诸如空气、N2、SF6、Ar等大多数气体的绝缘恢复时间大约为几十毫秒（如图2.10所示），而H2凭借较快的分子速度和较好的热扩散性，使开关绝缘恢复时间快了一个数量级（几毫秒）；改善开关的工作方式，如开关工作电压小于等于其直流静态击穿电压的一半，使介质气体在温度较高、密度较低的情况下仍能承受工作电压而不击穿；触发极施加较高幅值及较大陡度的触发电压等。第52页/共63页运用吹气技术的高重复频率气体火花开关

第53页/共63页采用均匀电场、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：极间电场应尽可能大面积均匀分布；电极间气体流动不存在“死区”；气体流向要有利于带电粒子尽快恢复；选择使开关工作稳定、寿命长的电极材料；选择介电强度恢复速度快且无污染和危险的气体介质。第54页/共63页开关设计的注意事项电场类型电极材料气体种类气体压强绝缘长度第55页/共63页三电极开关的典型波形第56页/共63页脉冲大电流开关技术涉及到的研究内容主要有以下几个方面：电介质击穿特性的研究。这关系到开关绝缘的合理采用；开关中放电模型的研究。包括绝缘的击穿过程、影响放电的因素、等离子体的稳定性、以及外加电磁场对放电等离子体的影响等；放电产物的研究。包括放电产物对开关特性的影响，对开关恢复特性的影响，对开关绝缘结构的影响以及对开关电极的影响等；第57页/共63页开关电极表面物理过程的研究。主要包括开关电极烧蚀过程的研究以及开关电极表面对放电过程的影响等。此外还有气体液体中放电流体动力学的研究，其它各种开关如固体介质开关、磁开关和超导开关、半导体开关以及各种形式的切断开关的研究等。第58页/共63页描述开关特性的主要参数

如果忽略一个开关元件的内部工作原理和特定的开关特性，仅仅把开关元件作为一个带有主电极端子和控制电极端子的黑盒子，而不考虑它是火花间隙还是固态开关等具体的开关形态，则一个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这个黑盒子的特性。第59页/共63页

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