大功率开关(二)

AcceleratorLabofTsinghuaUniversity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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（二）液体开关（续1）•特点–电感小（因为绝缘强度高100－1000kV/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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（二）液体开关（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（二）液体开关（续3）AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（三）固体开关（续3）•加在主电极A和B之间的高电压可以是直流高压，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。AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（三）固体开关（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）AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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。AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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/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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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线，损耗要小，dB/dH变化率要大。如金属玻璃2605C（metglass），NiZn铁氧体（ferrite）AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（二）等离子体流开关（续1）AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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。AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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，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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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，使负载二极管上获得更大的脉冲电压和电流AcceleratorLabofTsinghuaUniversity（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）AcceleratorLabofTsinghuaUniversity•PEOS电极间隙的物理过程（续1）AcceleratorLabofTsinghuaUniversity•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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity•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AcceleratorLabofTsinghuaUniversity•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。AcceleratorLabofTsinghuaUniversity•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。Accelera