大功率开关(二)

1、高压大功率开关（二）,一、概述二、短路开关三、开路开关四、其它开关,二、短路开关（续）,（二）液体开关一些气体开关的结构、触发机制等同样适用于液体和固体开关液体开关是利用液体作为工作介质进行工作的开关。常用的液体介质有水和变压器油液体开关的击穿机理与气体放电中的过程十分相似。类似于绝缘介质中所分析的，液体中的杂质、气泡、纤维、碳、电极表面污染等都会导致击穿电场的下降,（二）液体开关（续1）,特点电感小（因为绝缘强度高1001000kV/cm，可以减小开关间隙和体积）需特殊设计的地方：在液体中击穿会导致强烈的冲击波，故此电极的材料、形状和周围结构的形状、力学性质要满足一定的条件,（二）液体开关（

2、续2）,水开关在水传输线中使用水开关是非常恰当的，并不需要复杂的隔离手段，水开关的一个优点是可以自恢复1、自击穿水开关多通道工作。在水形成线中其结构非常简单。加入一个接地板后可以避免由于电容分压在输出线上提前出现预电压,（二）液体开关（续3）,（二）液体开关（续4）,2、触发水开关包括一个触发SF6开关，触发前触发极上电压按电容分压得到，触发后与临近的电极等势，增强了与另一个电极间的电场，从而导致整个开关击穿,（二）液体开关（续5）,油开关油开关在每次击穿后会留下碳颗粒，影响后续的开关工作，但可以通过滤油装置来解决这个问题,（三）固体开关,特点：包括自击穿开关和触发开关有的开关类型，开关击穿后

3、不可恢复，故多用于单次工作由于结构简单，造价低廉，也被广泛使用,（三）固体开关（续1）,简单固体开关将薄片介质置于开关间隙中，由于开关间隙很小，可以实现低电感和低抖动主要缺点：开关击穿后不可恢复，不能重复使用适用于大电流单次工作的场合开关工作通常利用自己击穿或用炸药引燃,（三）固体开关（续2）,介质表面放电开关在简单固体开关基础上发展而来，具有形成放电多道（几百个）的特性电感、电阻减小，放电时延仅几ns上层选用抗表面烧蚀能力较强的材料，通常用半导体；下层选用较高介质强度的材料，通常用陶瓷。开关寿命可达105次适用于中等电流放电工作状态,（三）固体开关（续3）,加在主电极A和B之间的高电压可以是

4、直流高压，也可以是脉冲高压。当触发电极C加上触发脉冲后，由于电极C和电极A、B之间的耦合电容的作用，介质表面发生弱的电晕放电，通过介质表面的电流是位移电流，而且沿整个介质表面分布。电晕的发展速度约为5mm/ns。在电晕放电的影响下，主电极A和B之间将发生多通道表面放电，使间隙导通。,（三）固体开关（续4）,功率半导体开关使用可控硅（SCR）或可关断可控硅（GTO）。可实现固态化脉冲功率源可关断可控硅由一个前沿正信号触发而导通，再用一个延迟了的负信号使其关断。容量不够可以并联，耐压不够可以串联既可用作短路开关又可用作开路开关是目前国际上研发最活跃的领域，技术不断进步，指标年年刷新,（三）固体开关

5、（续5）,光半导体开关（PCSS）类似于光触发的气体开关，在激光作用下，某些半导体的电导率变化很大，可以利用光束的通断和强度来控制通流能力开关动作极快（几十ps）、抖动极小（ps）、电感极小，容易串联或并联使用工作电压、电流属中、低功率范围（10kV，kA）,（三）固体开关（续6）,三种光导开关工作模式：线性、非线性和锁相（Lock-on）线性光导模式：每个被吸收的光子仅能产生一对电子和空穴电荷对；要求大的光子功率来维持开关的导电状态。,（三）固体开关（续7）,非线性光导模式：类似于气体击穿的雪崩机制，真正机制仍无正确解释较小的光功率来启动开关的闭合对外加电场要求加大，如闭合前约需100kV/

6、cm，闭合后仍约需10kV/cm的电场以维持在导通状态下的传导电流密度,（三）固体开关（续8）,锁相（Lock-on）光导模式在高电场(约4-12kV/cm)下，GaAs和InP表现出锁相现象。即，当被光触发时，只要能维持高于阈值(约4-8kV/cm)的电场，它们就不能恢复。此时，开关可流过外电路能提供的最大电流用来进入Lock-on状态的光能低，小于线形的情况。当其两端电场减小到阈值以下时，开关电阻可自恢复,（四）磁开关,实质上是一种利用铁磁材料做成的饱和电抗器利用电感饱和来实现工作状态的转换，没有消电离问题，也没有电极烧蚀问题可高重复频率运行，寿命长适合做磁开关的材料要求呈矩形变化的磁滞回

7、线，损耗要小，dB/dH变化率要大。如金属玻璃2605C（metglass），NiZn铁氧体（ferrite）,（四）磁开关（续）,主要缺点：磁心必须复位磁材料有损耗，高重复频率运行时，磁心温升很高会在电路中产生较大预脉冲主要作用：进行脉冲压缩用作波形的锐化和整形,三、开路开关,开路开关是由导电状态（闭合）到绝缘状态（断开）的开关，它用在电感储能电路中。其类型主要有：（一）金属丝电爆炸开关（二）等离子体流开关（三）等离子体融蚀开关（四）真空断路器开关（五）可控硅断路开关,（一）金属丝电爆炸开关,利用金属丝通过大电流时发生电爆炸来作为断路开关金属丝可以采用丝或箔，做成直线状或无感状，可单根也可多

8、根并联开关能承受的电压取决于导体长度、导体材料、周围介质（油或气）。电流在导体内的传导时间近似与流过的电流密度平方成反比,（一）金属丝电爆炸开关（续）,金属导体爆炸的机理可分为两类：与焦耳热有关的热机制与磁流体力学不稳定性发展有关的“动力学”机制电爆炸过程机制复杂，至今尚未完全认识,（二）等离子体流开关（PFS）,等离子体流开关（plasmaflowswitch）的工作机理是等离子体直线加速引起了电感的迅速变化，从而使电阻发生了变化PFS的主要部件是同轴电极，电极之间是环形真空腔。通过几种方法在同轴电极间形成轴向传播的径向放电，两同轴电极间被短路，可提供基本的电感储能,（二）等离子体流开关（续

9、1）,（二）等离子体流开关（续2）,当径向放电Plasma环被Lorentz力轴向加速向上游运动时，磁能在其下的同轴电感储能器中积聚。当Plasma环走完内电极末端，导致阻抗急剧增大，电流被接通流进负载，因而磁能传输到负载产生径向放电Plasma环的方法之一是：电流流过连接在内外导体间的环形丝阵列，经爆炸而形成高密度环形片Plasma。介质箔阻止Plasma向下方扩展。,（三）等离子体融蚀开关（PEOS）,等离子体融蚀开关（PEOS）是一种以等离子体为介质的新型开关，是能够负载大电流的快速断路开关可传导电流达到MA量级，持续时间约100ns，开关电压达到MV量级主要被用来降低甚至消除预脉冲电压

10、，或者压缩脉冲宽度，提高脉冲前沿陡度以获得电压和功率的增益,（三）等离子体融蚀开关（续1）,PEOS工作过程PEOS工作于真空环境。Plasma枪产生的碳Plasma注入真空传输线型电感器中，使开关区域充满高电导Plasma，这相当于与负载并联的导电媒质将两导体连接起来。一小段时间后，马克斯发生器工作，电压脉冲到达Plasma区域，这时电流流过Plasma，PEOS是短路状态，负载与马克斯发生器隔离，二极管负载上不会有预脉冲出现。这期间电能就储存在电感L中,（三）等离子体融蚀开关（续2）,PEOS工作过程（续）当传输线电感中的电流达到一定值后，PEOS开关会因等离子体的融蚀作用而自动断开，使负

11、载二极管上获得更大的脉冲电压和电流,（三）等离子体融蚀开关（续3）,PEOS电极间隙的物理过程导通阶段（conductionphase）融蚀阶段（erosionphase）融蚀增强阶段（enhancederosionphase）磁绝缘阶段（magneticinsulationphase）,PEOS电极间隙的物理过程（续1）,PEOS电极间隙的物理过程（续2）,导通阶段（a）当负电压加到阴极上，阴极表面将出现离子密度大于电子密度、净电荷为正的Plasma鞘层，其沿着表面的宽度最初随时间向下游发展。在鞘层两侧，阴极是电子发射极，而Plasma是离子发射极。电子和离子形成双极流开关传导电流由双极流决

12、定，正比于Plasma密度只要所传导的电流密度小于某一阈值，Plasma就相当于一块良导体,PEOS电极间隙的物理过程（续3）,融蚀阶段（b）当开关传导电流在电源驱动下增长到足够大，以至于从Plasma发射出来的离子流达不到双极空间电荷条件所要求的密度时，鞘层就要变厚，试图提供更多的离子来满足该条件此时，开关阻抗开始增大。间隙开始断开，负载上出现电流,PEOS电极间隙的物理过程（续4）,融蚀增强阶段（c）当开关电流增加到在其引起的角向磁场中电子的平均回旋半径小到可与鞘层厚度相比、电子的运动方向明显偏离外施电场方向（pinch箍缩），而不再与离子运动方向平行时，电子穿越鞘层的时间显著延长，电子电

13、流占开关总电流的份额趋于减少，从而使鞘层内电子、离子的运动方式向着需要更多离子的方向转化此阶段，鞘层厚度增加很快，因此开关的阻抗也增加得很快，开关电流迅速减小；由于储能或结构电感的存在，开关两端就会感应一个高电压，驱动较大的电流流过负载。,PEOS电极间隙的物理过程（续5）,磁绝缘阶段（d）当负载电流增大到电子的平均回旋半径远小于鞘层厚度时，电子的运动方向几乎与外施电场方向垂直，此时称电子流被“磁绝缘”了。此阶段，开关断开到最大程度，几乎全部电流通过负载。,等离子体枪（PlasmaGun）,箍缩碳等离子体枪的结构a为接地螺旋电极b为中心杆阳极c涂石墨绝缘体d外管e等离子体柱,等离子体枪（续）,

14、工作机理当枪内导体加上高压时，石墨绝缘体表面会发生闪络，提供等离子体源。在等离子体自身电流磁场作用下，等离子体受到方向箍紧，并向前喷射。,（四）真空断路器开关,属机械式断路开关真空断路器由真空中分开的两个电极组成。当两电极接触时，开关闭合；两电极分开时，开关断流大多数情况下，机械运动不能产生有效断路，开关中的电弧难以熄灭，须在分离触点期间，借助外电路来产生电流过零抵消脉冲的方法来灭弧真空情况下，电弧由金属蒸气产生，恢复时间在约3s范围,（五）可控硅断路开关,可关断可控硅（GTO）开关又称半导体开路开关（SOS）它由一个前沿正信号触发而导通，再用一个延迟了的负信号使其关断。容量不够可以并联，耐压

15、不够可以串联既可用作短路开关又可用作开路开关是目前国际上研发最活跃的领域，技术不断进步，指标年年刷新,四、其它开关,（一）多级开关。（二）重复频率开关（三）开关的烧蚀,（一）多级开关,多电极边缘放电开关（rimfireswitch）特点电压高多通道、电感小场增强小开关结构见下图，由一个激光触发开关和一系列完全相同的自击穿间隙串联组成。设计中保证电极边缘有最强的电场，以使流柱放电发生在它的附近,（一）多级开关（续1）,（一）多级开关（续2）,工作方式工作时，一束激光首先使触发间隙击穿，且产生了一个电压波向串联间隙传播，因而使串联间隙强烈过电压。从而导致串联间隙快速击穿。因为过电压效应非常强，强流

16、注通常在每个间隙独立形成，从而导致多通道导通。在每个间隙形成的平均传导通道数目约4-5个。一些流注可能从几个间隙边缘间跳跃形成一条放电线,（二）重复频率开关,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,开关技术则是制约重复频率脉冲功率技术发展的关键技术之一目前，脉冲功率技术中广泛使用的重复频率闭合开关主要有以下几种:气体火花开关、闸流管、真空开关、磁开关、汞引燃管、固态开关(晶闸管)等。这些开关各有优缺点，分别适用于不同的场合,（二）重复频率开关（续1）,表征重复频率闭合开关性能的工作参数有很多，主要包括工作电压、峰值电流、单脉冲电荷传递量、最大可承受的电流上升速率dI/dt、重复频

17、率、寿命等,（二）重复频率开关（续2）,气体火花开关因其工作电压高、通流能力强、结构简单等特点,在脉冲功率技术中得到了广泛的应用。特别是MV级的脉冲功率源,很多都采用了这种开关气体火花开关的工作频率取决于开关的绝缘恢复时间,而绝缘恢复时间的大小主要决定于三种物理过程:放电区域残余带电粒子的复合过程;（时间很短，影响小）,（二）重复频率开关（续3）,放电弧柱的冷却过程;电极烧蚀过程。高功率气体开关的恢复主要决定于后两种过程绝缘筒污染也对恢复有影响峰值电流、电荷传递量、平均功率这三个工作参数极大地制约了气体火花开关的重复频率和工作寿命,（三）开关的烧蚀,电极的形状选择球形电极轴线处电场最强，放电集中在A、B两点，易造成烧蚀,（三）开关的烧蚀（续1）,电极