（电机与电器专业论文）真空触发开关控制器及特性研究.pdf

真空触发开关控制器及特性研究 t h ec o n t r o l l e ro ft r i g g e r e dv a c u u ms w i t c ha n di t sc h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t t h es w i t c hi st h ek e r n e lc o m p o n e n ta n dt h em a i nt e c h n i c a lo b s t r u c t i o no ft h ep u l s e d p o w e rs y s t e m ( p p s ) a sa l le n e r g yf a s tc l o s i n g ( r e l e a s i n g ) s w i t c h ，t h et v s i sc o n s i d e r e da s t h em o s tp r o s p e c t i v es w i t c hi np p s i nt h i sp a p e rt h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et v s a r et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yr e s e a r c h e d t h ef i e l d - b r e a k d o w nm e c h a n i s mi nt v sw a sa n a l y z e d b a s e do ni n t r o d u c i n gt h e b e h a v i o ro fh e a ti ns o l i d s t h eh e a tc o n d u c t i o nm o d e lw a ss e tu pf o rd e s c r i b i n gt h eh e a t i n g p r o c e s so ft h es p o t so nt h ec a t h o d e w h i c ho c c u ri nt h et v s w h e nt r i g g e r e d t h em o d e l sc a l l b eu s e df o re x p l a i n i n gt h ei n i t i a lp l a s m a sp r o d u c t i o na n de x p a n s i o nm e c h a n i s ma n d c a l c u l a t i n gt h eb r e a k d o w nd e l a yt i m eo i lt h ei m p r o v e m e n to ft h ei n i t i a lp l a s m ap r o d u c e db y 也et r i g g e re l e c t r o d e s f o rt h et v sw h o s ed i e l e c t r i cw a sc o a t e dw i t ht h et i h1 a v t h e c a l c u l a f i o nu s i n gt h eh e a tc o n d u c t i o nm o d e lw a sc a r r i e do u t n ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r m 诵ml a f f e r t ya n df a r r a l l se x p e r i m e n t a ld a t av e r yw e l l f r o mt h es t r u c t u r eo ft h ef i e l d b r e a k d o w nt r i g g e r e dv a c u u ms w i t c h ( t v s ) p o l e ，an o v e l d e s i g nf o rc o n t r o l l i n gt h et r i g g e dv a c u u ms w i t c hi sp r o p o s e d t h ef i e l d - b r e a k d o w nt r i g g e r e d v a c u u ms w i t c ha n di t sc o n t r o ls y s t e ma r ec o n s t r u c t e d t r i g g e ran e ws o u r c eo ft h ec o n t r o l l e r d e s i g n , f r o mt h ed e s i g no fb a s i ch i 曲v o l t a g ep u l s e sl o o pa n db a s i ct r i g g e rs i g n a lg e n e r a t i n g l o o p ，s t e e p e n e dh i g hv o l t a g ep u l s eg e n e r a t i n gl o o pi sp r o p o s e di nt h en o v e lc o n t r o l l e ro f t r i g g e ds o u t c e 1 1 1t h et v st r i g g e r i n gc i r c u i t ，at h r e e - e l e c t r o d e - g a pi s u s e df o rp r o v i d i n g s t e e p e n e dh i g hv o l t a g et r i g g e r i n gp u l s et oi m p r o v et h et r i g g e r i n gp r e c i s i o n ( w i t h i n1u s ) t h e nam a i nl o o pw i t hl ca n das y s t e mu s e dt oc o l l e c tv a c u u ma r ci m a g ea r ee s t a b l i s h e d al o to fr e s e a r c hi su s e dt os t u d yt 1 1 e _ i rb a s i cw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h et r i g g e r r e l i a b i l i t y ，t h ed e l a yt i m ea n di t s s c a t t e rd e c r e a s ew i t ht h ed i f f e r e n tt r i g g e r e dp o w e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h em a i ng a pc o m m u n i c a t e da n dt h ei m a g eo ft h et v sa r c 1 1 1 ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ef i e l d b r e a k d o w nt r i g g e r e dv a c u u ms w i t c hd e l a yt i m ei sc l o s et ot h e c a l c u l a t i o nm o d e l t h r o u g hv i s u a lo b s e r v a t i o no nt h ec h a n g e so ft h et v sa r ct h ea n a l y s i so f t h et v sa r ci m a g ei san e w e x p e r i m e n tm e t h o d k e y w o r d s ：t r i g g e r e dv a c u u ms w i t c h ( t v s ) ；q u i c kc r o w b a r ；i n i t i a lp l a s m a ；t r i g g e r e dd e l a y t i m e ；c a t h o d es p o t ：v a c u u ma r c t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 5 0 7 0 0 1 ) 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：i = 赳远日期：2 翌f 娃厶目i 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：圭赴邋 聊躲2 塑丛 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1脉冲功率技术发展概况 脉冲功率技术主要研究在相对较长的时间里把较小功率的能量储存起来，经过快速 压缩和转换有效释放给负载的新必技术，实质上是输出功率对输入功率的放大。在核物 理技术、电子束、加速器、激光、放电理论、石油勘探、等离子体技术、电子对抗、电 磁炮、电磁炸弹、生物与生物医学工程等领域获得了广泛的应用，是一项具有基础性、 交叉性和广泛应用前景的高新技术。目前，脉冲功率技术已成为各国研究的热点领域， 日益受到国际科技界的关注。 脉冲功率技术是研究能产生各种强电脉冲功率输出的发生器技术。该发生器称之为 脉冲功率源，它实质上是一种强电脉冲功率放大器。它通过对储能器件缓慢充能( 电) ， 然后在很短的时间内通过对能量的脉冲压缩、整形、传输、匹配和开关等过程处理，实 现功率放大和脉冲输出，为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。该强电脉冲 功率源系统及其相关技术均属脉冲功率技术的研究范畴。脉冲功率源的主要技术指标 有：高储能密度、高功率密度、高电磁参数( 脉冲峰值功率和脉冲重复频率) ，以及高 可靠性。 脉冲功率系统一般由以下几部分组成：初始能源、功率调整系统，能量储存单元、 脉冲形成回路，开关和负载。如图1 1 所示。 睫羹h 羹薹篓h 雾豢凳h 黼薹h 了证 图1 1 脉冲功率系统 f i g 1 1 p u l s e dp o w e rs y s t e m 一般来说，所有各种初始能源都不能将能量以很陡的脉冲形式输送给负载。初始能 源可以是化学能，电能或其它形式的能源。功率调整系统是用来将初始功率转换成能量 储存单元所要求的具有特定形式的功率。能量储存单元在一定时间内储存能量，然后很 快将能量释放到脉冲形成回路，脉宽一般在微秒数量级。脉冲形成回路将脉冲整形( 使 其变得更陡，其脉冲的上升时间在纳秒数量级) ，并使其达到一定幅值后，输送给负载。 过去，脉冲功率技术主要为国防科研服务，并且大多是单次运行，而民用的脉冲功 率技术要求一定的平均功率，必须重复频率工作。2 0 世纪9 0 年代以来，脉冲功率技 术除了继续向获得超高功率单次脉冲的方向发展，以满足辐射模拟、惯性约束聚变等研 真空触发开关控制器及特性研究 究领域的需要之外，高平均功率重复率脉冲功率技术的发展日益加快，以期应用于工业 和军事领域。有关研究表明，工业和军事应用需要宽度为亚纳秒到几百纳秒、电压为几 百干伏到几兆伏、平均功率为几千瓦以上的重复率脉冲功率装量。高平均功率重复率脉 冲功率技术的关键问题包括快速重复充电、开关性能恢复、能量损耗与散热、器件老化 与寿命、可靠与稳定性等，开关在脉冲功率系统中起着重要的作用，特别对重复频率脉 冲功率系统，不仅决定了装置的输出特性，在某种程度上甚至是脉冲功率系统成败的关 键，其中最重要的是重复开关技术【l 】o 目前，脉冲功率技术总的发展方向是提高功率水 平，其主要研究方向是：提高电源的储能密度、研制大功率转换开关以及产生高重复频 率的大功率脉冲【2 j 。 经过多年的研究，单次和低重复频率的脉冲功率技术已得到高度发展。近十多年， 国际上越来越重视发展高重复频率的脉冲功率技术。对于高功率微波武器在，提高微波 发射的重复脉冲频率是非常重要的【3 】；高能长脉冲加速器也需要高重复频率脉冲【4 】；在 脉冲等离子体处理废气、废水的研究中，对脉冲重复频率也有很高的要求。研究结果已 经表明，脉冲前沿越陡、脉冲重复频率越高，处理效果越好【5 】。这些都对高重复频率脉 冲功率技术提出了迫切韵需求，必须寻找新的突破。 脉冲功率系统的储能一般采用电容储能和电感储能两种方式。在长脉冲输出条件 下，机械能也是一种可能的方案。电容器储能方式的优点是功率释放效率高，容易获得 高的功率密度，但储能密度相比电感储能和机械储能方式低，另外，高参数快速可靠的 关合开关也是一个技术难点。电感储能方式的储能密度可以达到很高的量级，介影响电 感储能使用的主要技术瓶颈是断路开关。机械式储能方式的储能密度比电容器高一个数 量级以上，但它的功率释放效率较低，不容易获得大的功率密度【6 】。 1 2 大功率控制开关的发展水平和现状 开关组件在脉冲功率系统中占有特殊的地位，将储能有效地传递给负载的每一步发 展，都是以成功研制出各种高性能的开关为前提的。因此开关是脉冲功率系统中的关键 组件，其性能优劣直接影响到输出脉冲的技术参数，尤其是输出脉冲的上升时间。开关 技术在脉冲功率系统中的特殊地位表现在： ( 1 ) 开关的参数和性能对输出脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影 响。一个脉冲功率系统即使各个组成部分都具有良好的性能，如果开关组件的性能欠佳， 最终还是不能获得符合要求的输出脉冲。 ( 2 ) 开关长期处于高电压、大电流的恶劣条件下工作，其中的击穿现象和电极间 的放电过程均十分复杂，电极材料在击穿时的烧损将直接影响开关的性能和寿命，也必 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 将影响到整个系统的寿命和性能。因此，具有耐受高电压强电流、击穿时延短而分散性 小、电感和电阻小、电极烧损少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关组件的 研制，是当前脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。 概括而言，脉冲功率技术对脉冲功率开关主要有以下几点要求： ( 1 ) 较高的开通速度 ( 2 ) 抖动时间要小 ( 3 ) 大功率 ( 4 ) 高重复频率 ( 5 ) 较高的电流上升速度 ( 6 ) 较高的峰值电流能力 ( 7 ) 较高的正向阻断电压 ( 8 ) 长寿命 ( 9 ) 脉冲宽度窄 ( 1 0 ) 损耗小 目前脉冲功率系统中的开关类型众多，主要可分为采用电感储能方式的断路型开关 和采用电容储能方式的关( 闭) 型开关。 切断开关主要包括等离子体融蚀开关( p e o s ) 、离子束开关( i e o s ) 、半导体断 路开关( s o s ) 、绝缘栅双极场效应晶体管( i g b t ) 固体开关、电爆炸丝切断( e e o s ) 、 光导半导体( p c s s ) 数组堆等。它们在不同的场合有着不同的用途。电爆炸开关、等 离子体融蚀开关等大功率( 几十k v ，几百k a ，n s 级) 短脉冲的产生方面有很大优势， 但只能在单次或低的重复频率下工作。i g b t 等断路开关在小功率( 几十k v ，几十到上 百a ) 高重复频率下有良好的特性，d t i 公司发展的i g b t 固体开关电压0 1 5 0 k v 、电 流0 - 5 k a 、重复频率4 0 k h z 、上升和下降沿 l o o n s t t 】。光导开关( p c s s ) 数组堆栈组成 的系统能提供数百千伏和数十千安以上的电压和电流，缺点是耐压和寿命比较低，热容 量还有待提高。目前发展比较迅速的是s o s 开关。九十年代俄罗斯科学家提出新型半 导体断路开关( s o s ) 的概念，作为整流组件，要求储存的电荷越少、反向电流越小、 反向自然关断时间越短越好，否则整流就会失败。面俄罗斯科学家则从逆向思维出发， 尝试一种半导体器件，其总储存电荷要多、反流要大，但反流关断时间要短，这样就可 以制造出一种新型的断路开关。它们采用p + - p n 耵的半导体结构，目前利用s o s 效应 的器件已经成功实现了纳秒级的关断持续时间、关断千安培级的电流、承受反向过电压 达百千伏级、其重复频率达数千赫的目标，它预示着脉冲功率技术又将向前迈进了一大 步。俄罗斯研制的s o s 开关参数可达2 0 0 k v 、l k a 、几k h z 8 1 。我国西北核技术研究所 一3 一 真空触发开关控制器及特性研究 于2 0 0 0 年开始基于s o s 的脉冲功率源关键技术和系统建立相关研究，2 0 0 3 年6 月建成 了输出指标2 0 0 k v ，l k a ，2 k h z ，脉冲宽度约3 5 n s ，平均输流5 k a ，脉冲宽度约4 0 n s ， 重复频率5 0 0 h z 的脉冲功率胡杨7 0 0 也在紧张的调试过程中，单脉冲输出指标达到 6 6 0 k v ，4 4 k a ，脉宽7 7 n s ，这是目前同类脉冲功率源最高的输出指标。 脉冲功率系统中的关合型开关众多，主要有气体开关、液体开关、固体开关、半导 体开关和真空触发开关( t v s ) 等。这四种关合开关中，气体开关在大电流下电极燃烧 严重，破坏电极表面，寿命短；液体开关和固体开关还在发展之中，研究很不成熟；半 导体开关单个组件还不具备在高压大电流下高频率重复运行的能力，为了满足大功率重 复频率脉冲功率技术的需要，需要进行多个组件的串并联，这样不但将带来复杂的均压 均流问题，而且导致非常高昂的成本代价。除了以上介绍的几种关合开关外，大功率关 合开关还有爆炸开关和引燃管开关。其中爆炸开关利用火药爆炸使两个导体迅速闭合或 断开，它的容量大，可靠性好，但是无法重复使用；引燃管开关利用汞蒸汽来实现闭合， 可靠性好，但是开关频率低。总之，这些关合开关无法适应在大功率快速转换条件下的 运行要求，实际需要对关合开关技术提出了新的挑战。 真空开关是近几十年出现的新型开关电器，随着国际上中压开关无油化浪潮兴起， 真空开关在配电系统及许多领域得到推广和应用。相比油断路器、磁吹断路器和空气断 路器等传统开关装置，真空开关有许多独特的优点【5 】。它以真空作为绝缘和灭弧介质， 因而耐压强度高，开断能力大，熄弧能力强；而且触头的行程很小，一般在4 - - 4 0 r a m 之 间，使得整个断路器小而轻；熄弧过程在密封的真空容器中完成，电弧和炽热气体不会 向外界喷溅，因此不会污染周围环境：熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头损 耗少，因而分断次数多，使用寿命长，适合频繁操作；操动时的噪声小，振动轻微，适 用于城市区域和要求安静的场所；同时没有火灾和爆炸的危险。此外真空开关还具有可 靠性高的特点，在真空灭弧室的使用期限内，触头部分不需要维修、检查，即使机构维 修检查，也十分方便，所花费的时间也很短【1 0 。1 4 1 。 真空开关所具有的特点使得真空开关在中低压领域得到广泛应用。真空开关作为一 种有触点型的电路故障分断组件，具有一般开关所具有的普遍属性，即其导电回路主体 能进行导体与绝缘体相互之间的迅速转换，它充分利用了断路器在分断过程中出现的电 弧等离子体，利用真空介质的强熄弧能力及高绝缘强度，来实现这种转换。目前，真空 开关已被证明是一种高性能、高可靠性、长寿命和低成本的电真空器件，是一种极有发 展前途的新一代电器组件。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3t v s 的研究与发展现状 1 3 1 概况 真空触发开关( t r i g g e r e dv a c u u ms w i t c h ，t v s ) 又称为真空触发间隙( t r i g g e r e d v a c u u mg a p ) ，是真空开关的一个重要分支，它的发展与真空开关的发展是息息相关 的。二十世纪7 0 年代初，全球范围掀起的中压开关无油化浪潮给真空开关带来了前所 未有的发展机遇，凭借自身巨大的技术优势，真空开关仅用了不到2 0 年的时间就取代 了少油开关而成为中压领域的主导产品，在配电系统及许多领域得到推广和应用。 真空触发开关是将真空开关技术和三极火花隙技术相结合而发展起来的一种新型 开关器件，其特点是利用真空作为主触头间的绝缘介质和灭弧介质，并采用特殊设计的 触发极来控制开关进行快速关合。 ，s 的优点主要有：工作电压范围宽，高库仑电量导通特性次( 每次电荷承载量 可达上千库仑) ，电弧电压低，动作迅速，介质恢复快，重复频率高，触发精度高，寿 命长，重量轻、体积小、经济性好，触发系统灵活、简单可靠。t v s 的这些优点决定了 它可以充当高压电器的过电流、过电压保护装置，大功率调速管的保护装置；可代替可 控硅等电力电子开关、闸流管、放电管和火花间隙，用于大功率高电压的整流、变流； 亦可在电容器放电回路、脉冲激光系统中用作高压、高重复频率的开关装置；还可在高 功率微波电源、核聚变装置中充当大能量精密控制开关等。这些应用领域中的高性能真 空触发开关实质上是一种对高压大电流进行快速关合的脉冲功率控制开关。 目前，国内外的研究者对真空触发开关的快速关合特性研究主要集中在其击穿机 理、触发源技术及击穿统计特性方面，同时，国内外的研究者将真空触发开关作为一种 大功率快速关合开关进行了大量的应用研究。 1 3 2t v s 击穿机理研究 t v s 的典型结构如图1 2 所示，它主要包括绝缘外壳( 陶瓷或玻璃材料) 、金属屏 蔽罩、一对相距为d 的主电极和一个触发电极，管内真空度通常维持在l x l 0 - 4 p a 以上。 绝缘外壳一方面保证内部真空度，同时起绝缘和支撑作用；金属屏蔽罩一方面可以调整 t v s 内部的电场分布，还可防止燃弧时产生的金属蒸气沉积在绝缘壳体的内表面，使壳 体内表面的闪络强度降低；主电极传导大电流，其结构设计对t v s 的性能有重要的影 响；触发电极提供初始等离子体。t v s 工作过程可分为触发阶段和主间隙导通阶段，在 触发阶段要为主间隙提供足够的初始等离子体( i n i t i a lp l a s m a ) ，初始等离子体扩散进 入主间隙后建立起金属蒸汽电弧，使主间隙导通，当主间隙放电电流过零时，电弧熄灭， 开关断开。初始等离子体一般通过沿介质表面的闪络产生，所用的介质材料有氢化物、 真空触发开关控制器及特性研究 绝缘材料、半导体材料和金属膜等，也可以通过借助电子束流、激光束照射和x 射线束 辐照方式产生。 7 0 年代，印度科学研究所的s k a m a k s h a i a h 和g r g o v i n d a 等人对采用绝缘介质和 半导体材料涂层作为触发材料的t v s 进行了试验研究，进一步研究了t v s 在不同涂敷 材料下的导通特性，认为触发时涂敷材料内部气体逸出并进一步引发电子崩是造成间隙 最后击穿的原因。r l b o x m a n 等人对以铜和铍为涂敷材料的t v s 进行研究，认为在初 始等离子体扩散阶段，阴极斑点发射及鞘层电场击穿是造成主间隙发生击穿的主要原因 【19 1 。a j g r e e n 等人认为场致发射是导致触发间隙在触发阶段发生击穿的原因，与l a f f e r t y 等人的研究结果相似。 阴 阴l 够臌 l j i b ) 初始等离子体的发展过程 图1 2 真空触发开关的基本结构及初始等离子体发展过程 f i g 1 2 b a s i cs t r u c t u r eo f t v sa n dd e v e l o p m e n to f i n i t i a lp l a s m a 在国内方面，8 0 年代初期，中科院空间中心的魏荣华和吴汉基等人首先开始对t v s 的一些工作特性和影响因素进行了初步的研究【1 5 】。进入上世纪9 0 年代，西安交通大学 的尚文凯博士对t v s 的极性效应和初始等离子体的不稳定现象进行了实验研究，认为 真空触发过程和主间隙的电压极性有关，提出在主间隙电压正极性下( 此时触发极置于 阴极) 主要为电子扩散到主间隙引发击穿，在主间隙电压负极性下( 此时触发极置于阳 大连理工大学硕士学位论文 极) 主要为离子扩散到主间隙引发击穿【1 6 】。大连理工大学和华中科技大学对t v s 的开 断高频大电流等一系列工作特性进行了理论和实验研究。 1 3 3t ，s 的触发源技术 t v s 的触发时延( d e l a yt i m e ) 、触发精度( 又被称为抖动时间j i t t a t 妇e ，简称抖 动，表征触发时延的分散性) 以及工作寿命是真空触发开关的关键参数。触发时延和触 发精度主要受触发极结构参数、触发极介质材料、触发电压、触发电流即触发能量、主 间隙电压、触发极和主电极极性等因素的影响。目前，几乎所有t v s 的寿命，都不是 由于真空下降或电极烧损而告终，而是因触发系统中的触发极不能正常触发而停止工 作。因此触发源的设计性能实际决定了，s 的触发极工作寿命，目前认为触发源的参 数对t 、，s 的工作寿命有重要的影响【6 】。 t v s 的触发时延是与触发源密切相关的一个关键参数，它包括两个部分，分别对应 于t v s 触发过程的两个阶段，即动作时延t d l 和导通时延t d 2 。t d l 为从施加触发脉冲到主 间隙电压开始下降所经历的时间，t d 2 为从触发极触发电流起始点到主放电电流的增长达 到最大值间的时间。动作时延与初始等离子体的产生有关。t v s 的初始等离子体一般借 助沿面放电方式产生。在这种情况下，由于真空一介质一金属导体三面交界处( t r i p l e j u n c t i o n ) 的电场增强作用，引起初始电子的发射，初始电子轰击介质表面，引起表面 吸附气体层的去吸附，以及部分电极材料的蒸发和电离，导致二次电子发射倍增过程 ( s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o na v a l a n c h e ，s e e a ) 和随之而来的沿面闪络。l i t v i n o v 和 s h n b i n 对这个过程进行了详细地分析，从理论上阐明了触发参数与开关动作特性之间的 关系，从而推导出动作时延【1 5 】： 乙l 一7 f f a g d ( 一d ( t e d - t o ) ： ( 1 1 ) t ，u 其中t d l 为时延，九、7 d 、c d 、t c d 分别为触发介质的导热系数、密度、比热和临界温 度，t o 为环境温度，j 、u 分别触发电流密度和触发电压。 导通时延与初始等离子体的扩散有关。在触发电极尖端产生的初始等离子体可以认 为是一完全电离的等离子体。当触发极安装在阴极时，可推出主放电时延为【1 7 】； 铲膨啡沙 2 ， 其中，k 是一个依赖于触发系统设计的结构参数，d 为极间开距，r 为触发极尖端 到阴极表面的距离，萨( o 5 1 ) ，i f 为触发电流。 真空触发开关控制器及特性研究 真空触发开关的触发源直接提供真空触发开关导通所需的初始等离子体。因此，触 发源的设计直接关系到其工作特性。一般的研究表明【l8 1 ，场击穿型t v s 的触发精度在 1 2 微秒，沿面触发型t v s 的触发精度可以做到几十纳秒。但是，触发时延和触发精 度也直接受到触发源的影响。触发时延和触发精度都与触发源的脉冲波形参数有关，波 形前沿更陡的脉冲源将使触发精度更高。国外有使用氢闸流管来作为触发源开关的情 况，需要对阴极进行预加热，使用起来比较复杂，也有采用纳秒级的冲击电压发生器来 作为触发源，其能量存储采用脉冲成形线【19 1 。国内用于t v s 的触发源技术目前仅见采 用脉冲变压器或者汽车点火线圈为触发能量转换器件的报道【2 0 1 ，它利用高电压小电流电 源使触发极起弧，起弧后再投入一低电压大电流电源来续流，目的是为了提供触发极击 穿后产生出足够的初始等离子体所需的能量，进而导致主电极的击穿。该触发源的特点 是触发可靠，装置简单，缺点是触发电压陡度不高，触发精度只能达到微秒级。 1 3 4t v s 击穿统计特性研究 由于真空触发开关实质上是以真空灭弧室为基础演化而来，因此真空触发开关的击 穿统计特性与真空间隙在本质上是一致的。 对于高压真空间隙而言，实际上，即使所有影响真空击穿电压的条件都相同，在一 个相当宽的电压范围内，真空间隙都有可能发生击穿，只是在不同电压下，击穿的概率 不同而已。从本质上来说，真空间隙的绝缘击穿过程是一个随机过程，击穿的引发和发 展受到许多随机因素的影响，而且击穿电压的分散性远比在其它介质中要大得多。作为 真空绝缘击穿研究的一个重要内容，其统计特性的研究占有非常重要的地位。它一方面 有助于人们更为深入的了解和发现真空绝缘破坏机理，同时也为真空开关绝缘配合统计 方法的应用奠定了基础。概率统计研究能够为真空灭弧室绝缘结构的设计提供更直接的 指导。 y m u r a i 和h t o y a 等人【2 l 盈】较早对真空间隙的静态击穿统计特性进行了研究。 y m u r a l l 2 1 】对处于分闸状态的真空灭弧室，上加一定的直流电压，然后以一定的速度控 制触头闭合，则在触头闭合的过程中，触头间隙将发生击穿。由于击穿事件的随机特性， 在同样的外施电压条件下，测量每次击穿瞬间的触头开距，则可以得到触头临界开距的 概率分布曲线。改变不同的试验电压值，则可得到击穿特性随外加电压的变化规律。同 时，他采用触头间隙d 和击穿概率为5 0 的触头间隙d 蚰之比x = a a 5 0 为一个新的参 量，可以将试验所得到的数据画在威布尔( w e i b u l l ) 概率纸上，得到一条直线。说明x 的统计分布遵从于威布尔分布。h t o y a 2 2 】等人对由两个半球电极形成的真空间隙进行试 验研究，所加电压为2 5 0 2 5 0 0 9 s 的操作冲击电压，试验步骤及测量方法与y m u r a l 相同， 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 也得到了类似的结果。根据得到的试验结果，运用“击穿弱点 的概念，他们提出真空 间隙的击穿与阳极表面的击穿弱点有关，而阳极表面单位面积内的弱点数与极间电压及 阳极表面场强有关。 文 2 3 的研究是在定开距下进行的，这样可以使d 的测量准确，并可减小实验误差， 所采用的试验电压为1 2 s 0 9 s 的标准雷电冲击电压。文 2 4 对单个真空灭弧室的静态击 穿统计特性做了较为深入的研究，并根据试验获得的结果，引入一个特征参量x 【= u 2 d ) 来描述电场应力的作用，说明了单个真空灭弧室的击穿是在电场应力超过一定值以后才 有可能发生，从微观出发，推导了击穿电压累积概率所必须满足的数学表达式，并用统 计学的观点对击穿弱点和真空击穿的面积效应做出了理论解释，从而获得了一些有用的 结论。 1 3 5t v s 在大功率快速关合领域的应用 近年来，国外已经开始将t v s 作为一种具有卓越性能的大功率快速关合开关 ( c r o w b a rs w i t c h ) 进行大量的应用研究，昭示着高性能参数t v s 的巨大应用前景。国 内外开发的t v s 主要应用是作为脉冲功率装置中大功率关合开关以及过电压与过电流 保护的关合开关，其应用示例见图1 3 所示。 图1 3t v s 在脉冲大功率关合中的应用示例 f i g 1 3a p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft v s a sc r o w b a rs w i t c hi np u l s e dp o w e rs y s t e m 由图1 3 可见，t v s 作为关合开关，将已充好电的主电容能量经脉冲成形电感和同 轴电缆瞬间释放到负载上。显然，t v s 是一个关键的开关器件，要求导通时延小，时延 真空触发开关控制器及特性研究 精度高，并且能关合的能量越大越好。因此，国内外对这种高性能的t v s 进行了大量 的研究工作。 韩国的k i l s o os e o 等人【2 5 】提出了一种真空中的旋转电弧间隙关合开关，可应用于 电磁发射武器所需的脉冲电源技术中。参数达到每次发射的电压为2 2 k v ，电流1 0 0 k a ， 1 0 0 库仑的电量。触发回路采用了多个触发电极的设计，但触发系统只有一套，多个触 发极并联共享，触发时只有一个触发极能触发，在触发能量为1 j ，触发峰值电压5 k v ， 触发峰值电流为1 0 0 a 时，测得触发时延( 定义为触发脉冲电压开始上升的零点到主间 隙电流开始增长的零点之间时间) 为1 0 8 微秒，触发精度大约在2 3 微秒。y u n s i k j i l l l 2 6 , 2 7 】介绍了一小型的脉冲电源系统，采用，s 为保护回路关合开关，主要为了保护 高压充电电容器在放电过程中两端的电压不会出现太大的反压，可以提高高压电容器的 寿命，适用于单极性脉冲电流放电的应用场合，并采用罗式线圈测量电流最大值点，发 信号给t v s 关合电源系统。然后，他采用容量达3 0 0 1 6 的脉冲电源模块进行并联【2 6 1 ， 产生2 4 m j 的用于电磁发射的脉冲电源。每个3 0 0 k j 的模块采用6 个5 0 1 6 2 2 k v 的高压 电容器进行并联，采用t v s 作为关合开关进行能量转换。 美国的h gw i s k e n t 28 】开发了一容量为5 4 0 1 0 的脉冲电源，用于电磁发射技术。系 统由6 个9 0 1 d 的模块并联组成，每个模块采用，s 作为关合开关，完成能量的转换。 各个模块的关合可以同步也可依次进行关合，可产生不同的脉冲波形，同时也可通过改 变每个模块中的电容值或电感值来灵活改变波形参数。初步的试验证明了所设计回路的 可靠性和实用性。 r a d o u g a l t 2 9 等人提出一种新型的带磁延滞功能的t v s ，如图1 4 所示，适合于低 功率损失，高重复频率，对脉冲放电上升陡度有特殊要求的应用场合。它借助一个串接 在t v s 主放电回路中的饱和电抗器，利用电抗器电流不能突变的原理，将主放电电流 的导通人为地延滞一定的时间，该延时一般为几十至上百i l s 。由于经过一定的延时后， 初始等离子体充满了整个主间隙，从而使主电流的起始导通变得稳定，避免了主放电电 流在导通初始阶段的振荡现象以及由此引起的高的电流截断。它保持了传统t v s 所具 有的高静态击穿电压，宽触发范围，潜在的快速介质恢复能力，以及高重复频率的优点， 又克服了传统t v s 的一些缺点，如关合参数不理想，大抖动，较大的功率损失( 直接 消耗在t v s 关合过程中) ，以及不够稳定的介质恢复过程。所制作的带磁延滞功能的 t v s 在亚微秒时间内成功关合了4 0 k v ，2 5 k a 的脉冲电流。与没有加磁延滞电抗器的 t v s 相比较，其电流上升时间得到大幅提高，而功率损失大量减少约9 0 ，脉冲重复 能力更强，触头电极烧损明显降低。 大连理工大学硕士学位论文 饱和 负 图1 4 磁延滞t v s r i g 1 4m a g n e t i c a l l yd e l a y e dt v s 俄罗斯的d f a l f e r o v t 3 0 】等人测量了t v s 运行时开关的伏安特性，开发出关合电流 达2 0 0 1 c a ，- 1 - 作电压2 5 k v ，单次承载电荷量达1 2 0 库仑的高性能t v s ( 见图1 5 ) ，预 计将开发出单次承载电荷量超过1 0 0 c ，关合电流可达5 0 0 k a 的t v s 。同时，他们提出 了串联t v s 的思想来实现大能量( 高压大电流) 的脉冲能量转换开关。所开发的r v u - 4 3 型r v s 可关合1 2 0 k a ，2 5 k v ，能量1 2 0 c 的电容储能脉冲，适用于单极性脉冲电流放电 的应用场合。 日本的h i r o s h ia r i t a 3 1 】主要针对密封t v s 在大电流( 脉冲，1 2 0 k a ) 及一定重复频 率下( 5 h z ) 的开断特性进行实验研究。其触发回路采用空气球隙来进行触发，触发能 量和触发频率可调，可以做到1 0 0 0 h z 左右。试验发现，触发极在阳极比触发极在阴极 需要更高的触发能量才能可靠触发，对于其试验装置来说，触发能量达11 j 时，两种情 况下都能可靠触发。试验表明，s 是一种潜在的具有重复操作能力的关合开关，可应 用于等离子体x 射线源。 进入9 0 年代以来，华中科技大学、大连理工大学对t v s 的通断特性、开断能力进 行了持续的试验研究，开发出了关合电流达6 0 k a ，单次关合电荷量达11 5 库仑的t v s 。 总体说来，在t v s 的击穿机理研究方面，国内外的研究者已经对t v s 的一些基本 击穿与运行特性进行了研究，提出了场致发射、触发时涂敷材料内部气体逸出并进一步 引发电子崩理论以及鞘层电场击穿理论等三大理论为t v s 的击穿原因，同时击穿存在 真空触发开关控制器及特性研究 极性效应，在t v s 初始等离子体的产生与扩散过程中，哪一种击穿机理起主导作用目 前还没有定论，需要研究者进一步的研究结果来验证并丰富其内容。 图1 5 高承载能力t v s f i g 1 5h i g hc m r 吼l tt v s 触发源技术是真空触发开关的关键技术。因此，开发出提高t v s 工作寿命、触发 时延、触发精度、重复频率等高性能参数的触发源是r s 走向实用化过程中必然要面 对的研究课题。 在t v s 的应用方面，目前t v s 主要是在大功率快速关合领域得到了广泛应用，比 较各国的高性能t v s 研究情况，在通载能力、触发精度等关键指标上，目前国内水平 和国外相比还有一定的差距。我们应该设计出具有更高性能参数的t v s 以满足应用的 需要。 1 4 本文的主要研究内容 真空触发开关的基本特性研究，是将其发展成为高功率参数快速关合开关技术的基 础和前提条件，是目前真空触发开关技术基础研究中的一个重要而紧迫的课题。 本文的研究内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 分析介绍了真空触发开关的基本结构和工作原理，从真空触发开关场致发射 击穿机理的分析出发，通过数学建模方法，引入热力学运动方程，建立起真空放电阴极 斑点热传导模型来研究真空触发开关的时延特性。通过时延特性的理论分析和仿真计 大连理工大学硕士学位论文 算，发现所建立的阴极斑点热传导模型和前人的经典试验数据吻合非常好，证明了所建 立模型的正确性 ( 2 ) 与传统场击穿型真空触发开关相比，本文设计了一个无涂敷触发材料的场击 穿型真空触发开关和一种新型的触发脉冲源及其控制器，建立了一套l c 试验主回路， 搭建了一套真空灭弧室实验装置，利用高速摄影技术对真空电弧进行初步研究。 ( 3 ) 结合实验获得的电气和图像两方面的原始数据，分析和研究了t v s 的基本工 作特性，得到相关的特性参数。 真空触发开关控制器及特性研究 2t v s 的阴极斑点热传导模型分析 真空触发开关的工作过程，通常包括两个主要阶段，即触发阶段和主间隙导通阶段。 触发阶段为主间隙提供初始等离子体。初始等离子体一般通过沿介质表面的闪络或直接 在触发极间施加电压发生击穿放电产生，所用的介质材料有氢化物、绝缘材料、半导体 材料和金属膜等，也有借助电子束流、激光束照射和x 射线束辐照方式产生。因此，触 发结构主要可分为沿面触发型与场击穿触发型两种。 本章在简要分析真空触发开关的基本结构和工作原理的基础上，从真空触发开关场 致发射击穿机理的分析出发，通过数学建模方法，引入热力学运动方程，建立起真空放 电阴极斑点热传导模型来研究真空触发开关的时延特性。通过时延特性的理论分析和仿 真计算来证明所建立模型的正确性。 2 1真空触发开关的基本结构和工作过程 2 1 1 真空触发开关的基本结构 真空触发开关( t v s ) 由绝缘系统、主电极和触发极三部份组成【l4 1 ，外触发回路一 般不在t v s 本体中考虑。 图2 1 为几种t v s 的典型原理结构，其中( a ) 为一般真空开关的灭弧室派生出的 平板电极型结构；( b ) 为运动电极型t v s 结构；( c ) 为多个棒形电极并列的结构， 右侧为其中间截面图。 真空触发开关的绝缘系统包括主电极间的绝缘和触发极与主电极间的绝缘，绝缘体 大都采用电真空陶瓷，其中触发极的绝缘往往决定了真空触发开关的工作寿命。陶瓷组 件与金属电极和结构件如法兰或屏蔽罩间的气密性焊接是至关重要的。真空封接工艺不 良，管子漏气，真空度下降则无法工作，而目前封接工艺基本上是成熟的。 对于很高电压下工作的t v s ，屏蔽罩是必不可少的，它可以防止燃弧时金属蒸汽喷 溅到外壳绝缘的内壁，以维持主电极间的绝缘强度。和真空开关灭弧室一样，屏蔽罩还 兼有改善灭弧室内电压的均匀分布和冷却与凝结电弧生成物的作用。 t v s 的静态真空度与真空灭弧室一样，要维持在l o - 4 p a 数量级以上。一般情况下， 绝缘件和其密封面还要有足够的抗拉强度，以承受大电流工作时所产生的巨大电磁力。 大连理工大学硕士学