大功率開(kāi)關(guān)(一)

高壓大功率開(kāi)關(guān)（一）一、概述二、短路開(kāi)關(guān)三、開(kāi)路開(kāi)關(guān)四、其它開(kāi)關(guān)一、概述

開(kāi)關(guān)是電路中接通或截?cái)嚯姽β实难b置。高功率脈沖技術(shù)中，開(kāi)關(guān)技術(shù)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(guān)鍵。一、概述（續(xù)）（一）開(kāi)關(guān)的分類

根據(jù)脈沖功率的儲(chǔ)能方式，開(kāi)關(guān)可劃分為兩類：1、短路開(kāi)關(guān)（closingswitch）2、開(kāi)路開(kāi)關(guān)（openingswitch）還有其它的劃分標(biāo)準(zhǔn)，如工作介質(zhì)、觸發(fā)方式等等。（二）開(kāi)關(guān)的作用對(duì)于短路開(kāi)關(guān)1、適用于電容儲(chǔ)能電路2、在儲(chǔ)能過(guò)程中起隔離充電回路和放電回路的作用3、迅速閉合導(dǎo)通，構(gòu)成放電回路4、在指令脈沖觸發(fā)下工作，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上與其他設(shè)備同步5、起截波陡化作用（二）開(kāi)關(guān)的作用（續(xù)1）（二）開(kāi)關(guān)的作用（續(xù)2）對(duì)于開(kāi)路開(kāi)關(guān)1、適用于電感儲(chǔ)能電路2、迅速斷開(kāi)，將電流從一回路切換到另一回路（三）開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)主要由電極、工作介質(zhì)、殼體和附屬設(shè)備組成1、電極由一對(duì)主電極組成，在觸發(fā)開(kāi)關(guān)中還有觸發(fā)電極2、開(kāi)關(guān)介質(zhì)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(zhì)的作用，要求有機(jī)械強(qiáng)度和電強(qiáng)度4、附屬設(shè)備根據(jù)開(kāi)關(guān)的不同可能有氣罐、管道、閥門、氣泵、油循環(huán)設(shè)備、觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器、電極間隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等（四）開(kāi)關(guān)的一般工作原理短路開(kāi)關(guān)多運(yùn)用絕緣介質(zhì)的擊穿特性，由絕緣狀態(tài)到導(dǎo)電狀態(tài)1、一般使用的機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間太慢（ms量級(jí)），而介質(zhì)的擊穿過(guò)程，其速度要快得多，并且分散性相對(duì)較小2、當(dāng)開(kāi)關(guān)兩端的電壓達(dá)到或超過(guò)介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)就可以導(dǎo)通3、對(duì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)而言，主電極之間雖沒(méi)有達(dá)到擊穿程度，但一個(gè)主電極和觸發(fā)極之間達(dá)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(kāi)關(guān)的一般工作原理（續(xù)）開(kāi)路開(kāi)關(guān)是由導(dǎo)電狀態(tài)（閉合）到絕緣狀態(tài)（斷開(kāi)）的開(kāi)關(guān)，它主要有：1、金屬絲電爆炸開(kāi)關(guān)2、炸藥爆炸開(kāi)關(guān)3、等離子體開(kāi)關(guān)4、真空斷路器開(kāi)關(guān)5、可控硅斷路開(kāi)關(guān)（五）開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)短路開(kāi)關(guān)1、耐壓能力2、通流能力3、動(dòng)作時(shí)間和抖動(dòng)（jitter）

開(kāi)路開(kāi)關(guān)1、通流能力2、開(kāi)關(guān)阻抗的上升速率還有壽命和重復(fù)頻率（五）開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)（續(xù)）A、外觸發(fā)脈沖B、導(dǎo)通前耐壓C、電壓下降時(shí)間D、導(dǎo)通電壓E、恢復(fù)時(shí)間F、延遲時(shí)間G、電流上升時(shí)間H、再次充電時(shí)間I、電流脈沖寬度J、峰值功率K、反轉(zhuǎn)電壓L、反轉(zhuǎn)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(shí)抖動(dòng)（六）開(kāi)關(guān)的工作范圍不同開(kāi)關(guān)工作的能量密度和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程——固、液體開(kāi)關(guān)較優(yōu)（六）開(kāi)關(guān)的工作范圍（續(xù)1）不同開(kāi)關(guān)的耐壓值（六）開(kāi)關(guān)的工作范圍（續(xù)2）不同開(kāi)關(guān)的最大電流——火花隙（氣體）開(kāi)關(guān)最佳（七）開(kāi)關(guān)的時(shí)延開(kāi)關(guān)的時(shí)延包括兩個(gè)方面，一是開(kāi)關(guān)火花通道的建立時(shí)間（也稱擊穿時(shí)延），二是通道建立后，由開(kāi)關(guān)所在回路參數(shù)決定的電流上升時(shí)間對(duì)于自擊穿開(kāi)關(guān)，擊穿時(shí)延是從脈沖電壓超過(guò)擊穿電壓起，到間隙導(dǎo)通所花的時(shí)間；對(duì)于觸發(fā)開(kāi)關(guān)，擊穿時(shí)延是從觸發(fā)脈沖到達(dá)間隙起，到間隙導(dǎo)通所花的時(shí)間（七）開(kāi)關(guān)的時(shí)延（續(xù)）擊穿時(shí)延d由平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延s和放電形成時(shí)延f兩部分構(gòu)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(shí)間間隔，它與初始電離強(qiáng)度、氣壓及氣體種類等有關(guān)，它具有隨機(jī)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(shí)間。由于放電的隨機(jī)性，導(dǎo)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(shí)，同時(shí)也可以確定其分散性j。好的開(kāi)關(guān)d和j都要小，特別是j要小（八）開(kāi)關(guān)電流的上升時(shí)間開(kāi)關(guān)電流的上升時(shí)間（與開(kāi)關(guān)兩端電壓下降時(shí)間近似相同）既與開(kāi)關(guān)的特性有關(guān)，也受回路參數(shù)的影響。一般認(rèn)為開(kāi)關(guān)電流的上升時(shí)間近似是兩部分之和：一個(gè)是電阻項(xiàng)（等離子體通道被加熱和膨脹需要時(shí)間），另一個(gè)是電感項(xiàng)（電路參數(shù)的限制）。下面列出了近似的經(jīng)驗(yàn)公式（馬丁公式）二、短路開(kāi)關(guān)（一）氣體開(kāi)關(guān)氣體開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用開(kāi)關(guān)主要包括兩個(gè)主電極，中間充氣體用作絕緣。開(kāi)關(guān)動(dòng)作包括過(guò)電壓自擊穿和外觸發(fā)擊穿（需要第三個(gè)電極或其它如光、電子束等觸發(fā)機(jī)制）兩種（一）氣體開(kāi)關(guān)（續(xù)1）1、二電極開(kāi)關(guān)這是一種自擊穿開(kāi)關(guān)不僅氣體，液體和固體開(kāi)關(guān)都可以采用自擊穿工作模式。其特點(diǎn)是非常容易制造例如Marx發(fā)生器的后幾級(jí)開(kāi)關(guān)是自擊穿開(kāi)關(guān)有些Blumlein線的主開(kāi)關(guān)也采用自擊穿開(kāi)關(guān)1、二電極開(kāi)關(guān)（續(xù)1）開(kāi)關(guān)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(chǎng)不均勻，則要考慮場(chǎng)增強(qiáng)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(guān)采用電負(fù)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(jìn)而降低開(kāi)關(guān)的火花通道電感1、二電極開(kāi)關(guān)（續(xù)2）電極的表面狀態(tài)不僅影響開(kāi)關(guān)的擊穿電壓，也影響擊穿電壓的分散性電極表面太毛糙，會(huì)使擊穿電壓顯著下降。新開(kāi)關(guān)在使用之前，需要進(jìn)行老化，局部的毛刺在這個(gè)過(guò)程中會(huì)被除去。但電極表面光潔度太高也不好。（一）氣體開(kāi)關(guān)（續(xù)2）2、三電極開(kāi)關(guān)（Trigatron）從兩電極開(kāi)關(guān)發(fā)展而來(lái)主要構(gòu)型有兩種在電極中心開(kāi)孔，引入觸發(fā)針在開(kāi)關(guān)電極的中心電位面為零處，放入圓環(huán)片，構(gòu)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(lái)觸發(fā)2、三電極開(kāi)關(guān)（續(xù)1）觸發(fā)針型開(kāi)關(guān)的間隙的擊穿類型短時(shí)間擊穿過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間擊穿過(guò)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(guò)負(fù)載接地處于零電位，觸發(fā)極Z通過(guò)觸發(fā)回路接地，也處于零電位。G1和Z之間有一個(gè)電場(chǎng)E1，G1和G0之間有一個(gè)電場(chǎng)E2，G0和Z之間有一個(gè)電場(chǎng)E3。初始E3為零，E1和E2相等。當(dāng)有觸發(fā)脈沖加到觸發(fā)極上時(shí)，電極之間的電場(chǎng)就發(fā)生了變化2、三電極開(kāi)關(guān)（續(xù)2）2、三電極開(kāi)關(guān)（續(xù)3）短時(shí)間擊穿過(guò)程（快擊穿）觸發(fā)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，觸發(fā)脈沖到達(dá)后，如果E1比E3大許多，則G1和Z之間首先擊穿，此時(shí)G1上原來(lái)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(chǎng)強(qiáng)，G0和Z也發(fā)生擊穿。這時(shí)間隙全部導(dǎo)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(shuō)的長(zhǎng)時(shí)間擊穿過(guò)程相比，時(shí)間較短（幾個(gè)到幾十個(gè)納秒），故稱短時(shí)間擊穿過(guò)程2、三電極開(kāi)關(guān)（續(xù)4）長(zhǎng)時(shí)間擊穿過(guò)程（慢擊穿）觸發(fā)回路給出一個(gè)正脈沖+UZ，當(dāng)它加到觸發(fā)極上時(shí)，電極G1和Z之間的電場(chǎng)下降，G1和G0之間的電場(chǎng)不變，G0和Z之間的電場(chǎng)由零上升。如果G0和Z之間的場(chǎng)強(qiáng)足夠大，就可以發(fā)生擊穿，這時(shí)觸發(fā)極Z的電壓又下降到零，使G1和Z之間的場(chǎng)強(qiáng)回復(fù)到原來(lái)的水平，但G0和Z的擊穿過(guò)程中將產(chǎn)生電火花，造成氣體電離，可以使間隙全部擊穿這種擊穿過(guò)程速度較慢，因?yàn)榈谝淮尉植糠烹娛前l(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(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且極間的場(chǎng)強(qiáng)并不高。故需要更長(zhǎng)的時(shí)間（微秒量級(jí)）2、三電極開(kāi)關(guān)（續(xù)5）兩種擊穿過(guò)程的特點(diǎn)短過(guò)程對(duì)觸發(fā)電容的要求不高：因?yàn)榈谝淮卧赯和G1之間，第二次在Z和G0之間，但這時(shí)Z已經(jīng)和主電容器相連了。而長(zhǎng)過(guò)程則需要觸發(fā)能量較大，以得到足夠強(qiáng)的電火花短擊穿過(guò)程的分析工作條件：導(dǎo)通前G1－Z，G1－G0長(zhǎng)久耐電壓U1觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)G1－Z擊穿，G0－Z不擊穿2、三電極開(kāi)關(guān)（續(xù)6）短擊穿過(guò)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(kāi)關(guān)（續(xù)7）短擊穿過(guò)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)（續(xù)8）短擊穿過(guò)程的分析（續(xù)3）故此，這種三電極開(kāi)關(guān)的工作電壓范圍與大的觸發(fā)脈沖范圍是矛盾的，但調(diào)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(dá)到工作電壓的一半以上，以盡量減少延時(shí)和抖動(dòng)。觸發(fā)環(huán)型開(kāi)關(guān)觸發(fā)環(huán)位于開(kāi)關(guān)兩個(gè)電極的間隙中間，它的工作原理略不同于觸發(fā)針開(kāi)關(guān)。兩個(gè)間隙對(duì)稱，沒(méi)有長(zhǎng)、短程擊穿的問(wèn)題。3、場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)適合在正、負(fù)對(duì)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(shí)、抖動(dòng)都比三電極觸發(fā)開(kāi)關(guān)短，具有放電通道短、穩(wěn)定、以及多次放電分布均勻（壽命長(zhǎng)）等優(yōu)點(diǎn)3、場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)（續(xù)1）當(dāng)3上有觸發(fā)脈沖時(shí)，電極間的電位發(fā)生了變化，圖中1、3間的電場(chǎng)加強(qiáng)了，故此1、3將發(fā)生放電，結(jié)果導(dǎo)致1、3電位相等，這樣電極2、3之間的電場(chǎng)又增強(qiáng)了，發(fā)生第二次放電完成導(dǎo)通3、場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)（續(xù)2）與三電極開(kāi)關(guān)的區(qū)別在于三電極開(kāi)關(guān)只利用了擊穿過(guò)程中的火花照射，并沒(méi)有電場(chǎng)畸變過(guò)程。故此場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的觸發(fā)特性更好觸發(fā)極電阻和耦合電容對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作有影響：電阻太大，會(huì)抑制觸發(fā)極端部的預(yù)放電，對(duì)第一級(jí)擊穿不利；電阻太小，又會(huì)影響第二級(jí)擊穿。一般為數(shù)百歐，電容一般為100pF觸發(fā)電極位置對(duì)開(kāi)關(guān)的工作電壓范圍和延時(shí)抖動(dòng)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(kāi)關(guān)4、電子束觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)1）當(dāng)電子束從陰極注入，在到達(dá)陽(yáng)極的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致空間電荷和碰撞電離，空間電荷增長(zhǎng)率受電子束性質(zhì)（能量、持續(xù)時(shí)間、截面等）和電極間電場(chǎng)、氣體種類的影響。如果空間電荷增長(zhǎng)率極快，則二次電離就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。由于初始電子數(shù)目極多，開(kāi)關(guān)的延時(shí)和抖動(dòng)可以做到很?。?ns）這種開(kāi)關(guān)可以做成重復(fù)頻率工作的開(kāi)關(guān)（調(diào)整柵極的電壓）。當(dāng)電子束撤去后，開(kāi)關(guān)就會(huì)恢復(fù)到未導(dǎo)通的狀態(tài)。重復(fù)頻率可以做到10kHz，開(kāi)關(guān)時(shí)間30ns，耐壓200kV和導(dǎo)通電流20kA。缺點(diǎn)是需要電子束發(fā)生器4、電子束觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)2）鐵電體電子束觸發(fā)開(kāi)關(guān)近些年來(lái)，發(fā)展了一種用鐵電體觸發(fā)的高氣壓氣體間隙開(kāi)關(guān)，名叫鐵電體觸發(fā)開(kāi)關(guān)。它利用鐵電體極化反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電子發(fā)射作為引燃電子源而得名。這種開(kāi)關(guān)，充氣壓力5～10MPa，耐壓約500kV，抖動(dòng)50ps左右，重復(fù)頻率100～1000Hz，開(kāi)關(guān)電流千安培左右。主要應(yīng)用于高功率微波超寬帶（UWB）研究中。5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)氣體開(kāi)關(guān)的觸發(fā)過(guò)程一般包括：間隙間初始電子空間電荷的增長(zhǎng)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(gè)過(guò)程是電子的碰撞電離產(chǎn)生的，于是擊穿延時(shí)就比較長(zhǎng)。而在激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)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(shí)和抖動(dòng)5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)1）激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)的優(yōu)、缺點(diǎn)與主放電回路隔離，高低壓設(shè)備分開(kāi)，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(shí)短和抖動(dòng)小主要缺點(diǎn)是需要激光器單元5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)2）5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)（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(gè)等離子體火球，這個(gè)球沿間隙運(yùn)動(dòng)，形成了一個(gè)電阻較小的細(xì)導(dǎo)電通道，在進(jìn)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?yàn)榈入x子體球內(nèi)的電離程度大大超過(guò)必要值。激光觸發(fā)可以得到亞ns的抖動(dòng)和ns級(jí)的延時(shí)。5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)4）軸向空間觸發(fā)這時(shí)激光并不聚焦在電極上一點(diǎn)，這樣在激光束頭部針狀空間內(nèi)氣體被電離，這個(gè)等離子體柱可以很快發(fā)展成導(dǎo)電通道。這種觸發(fā)進(jìn)一步減少了通道的形成時(shí)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(kāi)關(guān)可以得到亞ns的抖動(dòng)。5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)5）橫向空間觸發(fā)下圖中的三電極開(kāi)關(guān)主要由兩個(gè)平行的主電極（圖中是其截面）和一個(gè)觸發(fā)電極構(gòu)成。這種開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)：一是可以多通道工作，從而電感較?。欢强梢苑奖愕呐c平板傳輸線連接；三是多通道工作時(shí)主電極的燒蝕較輕。缺點(diǎn)是觸發(fā)極的燒蝕很嚴(yán)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(zhǎng)壽命的開(kāi)關(guān)。如軌道開(kāi)關(guān)(rail-gap)。5、激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)（續(xù)6）橫向空間觸發(fā)（續(xù)）已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了60cm長(zhǎng)500kV軌道開(kāi)關(guān)，利用30mJ的KrF激光觸發(fā)，延時(shí)約50ns，抖動(dòng)2ns6、低氣壓開(kāi)關(guān)工作在Paschen曲線的底部，氣壓在50Pa左右6、低氣壓開(kāi)關(guān)（續(xù)1）氫閘流管由陽(yáng)極、柵極、障礙、熱陰極和儲(chǔ)氫裝置組成。柵極用來(lái)控制到達(dá)陽(yáng)極電子的數(shù)目，觸發(fā)脈沖加到柵極后先導(dǎo)致柵極和陰極之間的電離擊穿，繼而引起陽(yáng)極和陰極之間的擊穿。柵極距陽(yáng)極小于一個(gè)電子自由程的距離，故不易和陽(yáng)極間擊穿。障礙是用來(lái)限制電子的能量。工作范圍從幾kV～50kV，峰值電流可以達(dá)到5kA，電流上升速率1011A/s，重復(fù)頻率1kHz左右，抖動(dòng)在ns量