有关开关的基本概念.doc

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1、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。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[17]：（1）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低于此电压；（2）静态自击穿电压Us：在没有任何触发手段的情况下，开关间隙所能承受的最高电压；（3）最大工作电压：为了获得可靠运

2、行，开关主电极的最大工作电压，约为静态自击穿电压的80％；（4）最小工作电压：开关可靠运行的最小工作电压，约为最大工作电压的1/3；（5）工作范围：开关最大与最小工作电压之间的范围；（6）击穿时延td：从触发电压加到触发电极瞬间起到开关完全导通的时间；（7）击穿时延的分散性：在相同条件下td的变化范围，亦称开关抖动；（8）峰值电流；开关设计者规定的开关允许通过的额定电流，电流超过峰值电流值，将会危及开关正常工作；（9）恢复时间：开关脉冲电流结束到开关绝缘恢复的时间；（10）寿命：开关运行的总次数；（11）重复频率（对重复频率

3、脉冲功率技术开关而言）：开关一秒钟内能够可靠地闭合（或关断）而性能不下降的次数；（12）正向压降：开关在导通情况下的电压；（13）di/dt：在保证开关装置不被毁坏的条件下，开关允许通过电流的上升速率；（14）du/dt：开关导通后不会引起开关再次动作的外加电压的上升速率。。不同的气体火花开关的比较：1.三电极触发气体火花间隙开关三电极触发气体火花开关的基本原理如图2.12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

4、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。2.轨道型气体火花隙开关在大电流脉冲装置中，如果利用单通道开关并联放电的分流作用来提高开关的通流能力，则需要复杂的同步技术，而在单个开关元件中实现多弧道放电时，则开关中的能量损失较小，有利于增大开关的通流能力和开关击穿后介质的快速恢复，使开关能够在高重复频率下运行。轨道型气体火花开关在满足一定的触发条件下，可形成多个火花通道。图2.13为典型轨道开关示意图，开关电极的几何形状如同轨道一样，刀刃状触发电极、阴极和阳极三者互相平行，轨道间

5、隙和触发电极位置可以调整。当高压脉冲迅速加到刀刃电极上时，瞬时产生了很大的电场畸变，从而导致多通道引燃，因此此开关实质为场畸变型开关。轨道开关也有采用激光触发的，此外在直线型轨道开关基础上还发展了一种环形轨道开关，其工作原理与直线型轨道开关是一样的，仅是将主电极做成环形轨道。由于轨道型气体火花开关击穿时可形成多个火花通道，大大减低了通过间隙的电流密度和一次次放电的随机分布，减小了开关电极的烧蚀。降低了开关的分布电感，提高了气体火花开关的使用寿命。目前查到的轨道开关的通流能力及隔断电压分别达到500kA及100kV，抖动时间小

6、于100ps，开关电感只有几个纳亨。3.运用吹气技术的高重复频率气体火花开关为了满足重复频率脉冲功率技术发展的要求，在气体火花开关中采用了吹气技术，即在开关电极间吹气，带走电极之间的导电电荷，加速开关绝缘强度的恢复速度，从而提高开关的工作频率。图2.14是中物院应用电子学研究所常安碧等在研制500kV调制型加速器的工作中设计的空心阴极吹气开关的结构[48]。其设计参数为：工作电压范围50-100kV；最大脉冲电流100kA；电荷传递量0.15-0.3C/pulse；间距1.2-1.7cm可调；气压种类及压力0.25-0.35

7、MPa（表压）氮气；气体流量Q≈25-35L/s32（标准状态）；电极尺寸最大直径φ50mm-φ70mm，顶部球半径SR=50mm，高度H=50mm。在此基础上研究出了不同结构的开关。重复频率开关的需求越来越大，为了提高火花开关的重复工作频率，人们一般采用均匀电场、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：（1）极间电场应尽可能大面积均匀分布；（2）电极间气体流动不存在“死区”；（3）气体流向要有利于带电粒子尽快恢复；（4）选择使开关工作稳定、寿命长的电极材料；（5）选择介电强度恢

8、复速度快且无污染和危险的气体介质。4.多级多通道气体火花开关近年来，对气体火花开关的性能提出了更高的要求，希望开关具有超低电感、超低分散性和极大的通流能力（数MA），为了减小开关的电感和增大开关的通流能力，较好的办法就是将开关电流分成多个并联的通道。三电极轨道型气体火花开关击穿时形成多个火