《脉冲功率开关技术》PPT课件

以开关的触发机理来分，可分为引燃管、三电极 开关、激光触发开关等；
以开关主电极的特性来分，可分为场畸变开关、 空心阴极开关、热阴极开关、表面放电开关等。
以开关的动作意图来分，可分为闭合开关和断路 开关。
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以上各种分类方式都不是绝对的，有时会互相交叉， 不管怎么分，所有开关都有一些共性。
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。
脉冲功率系统的开关
在高功率脉冲发生器中，开关是最重要的器件之一， 它起着连接储能器件与负载的作用。 脉冲功率系统中开关的作用：
能量的转换，（switch），通过开关的动作（断开 或闭合），来实现能量的转移。 开关具有下列特性：
电导率的变化范围应尽可能大，即要在完全绝缘体 至导体之间变化；电导率的变化速度尽可能快。
图2.1 三p电pt课极件 触发气体火花开关的原理图17
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三电极开关是在两电极开关的基础上发展起来的， 用做外触发开关。主要构型分为两种：
一种是在一个电极中心开孔，引入触发针，如64(b)所示
另一种是在开关电极的中间平面部位，即中心电位 面为零处，放入圆环片，构成触发电极，如6-4(c)所示。
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未触发前主电极的电场分布较均匀，当触发脉冲加到
电极3上后，电极3边缘的电场急剧增大，使电场畸变，
同时产生场致发射，因而引起电场畸变较大的一侧先击
穿。
然后由于放电通道的连接作用，触发电极电位变成
与击穿侧电极同电位，另一侧间隙因受到第一级击穿照
射和过电压的作用而迅速击穿。
场畸变开关的特点是触发特性良好，结构设计也不复
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几种常见开关的简单介绍
• 气体火花开关 • 伪火花隙开关 • 激光触发多通道开关 • 半导体开关
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气体火花开关
• 是指间隙气压在100kPa或以上的开关（即在 常压下或超过常压）。火花开关具有工作电压 高、通流能力强、传递电荷量大的优点，但是 工作重复频率较低。火花开关击穿的机理是流 注理论。
• 气体火花开关有：
两电极开关
三电极开关
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气体火花开关的工作原理
流注放电理论（高电压技术） 击穿的几个过程：
初始（有效）电子的产生 带电粒子运动及与气体分子相互作用 碰撞电离与一次电子崩形成 光电离与二次电子崩形成 流注形成与放电
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三电极触发气体火花开关 三电极触发气体火花开关的基本原理如图2.1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。
杂，但是，由于有一个中间电极，存在着分压问题和对
与中间电极的相连的触发系统的高压倒灌问题，到目前
为止，场畸变型开关的工作ppt课电件压不是太高。
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触发真空开关--TVS （触发真空间 隙--TVG）
触发真空开关工作气压在10-4Pa以下，目前对于真 空击穿的机理还没有统一的认识。
外部触发源可利用脉冲电压，激光束或电子束来触
发，激光束和电子束主是在间隙产生引起击穿的初始种
子电子。
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短时间击穿，需要一个幅度高，上升快的负触发 脉冲，对触发能量要求不高，击穿主要靠过电压实现。
长时间击穿就不同了，需要一定的触发能量，第 二次击穿靠气体电离。
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P：开关中所充气压；d为间隙距离； i为开关通道中电流；a为常数
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火花放电时间常数，表征火花电导率增长的特征时间。 正比于1/E2；当pd为常数时，正比于1/p。
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定义为开关每次放电过程中，通过开关的总电荷数。 i为放电电流，取绝对值，正反向电荷都要叠加在一起。
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开关的 工作特 性描述
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Ａ：间隙触发极上加上外触发脉冲
Ｂ：间隙直流充电后的维持电压
Ｃ：间隙击穿开始后，电压发生下降，从90%到10%之
间的时间间隔为开关导通时间，相当于开关电阻项过程
Ｄ：开关持续时间，电压降加在开关电阻上，决定极性
Ｆ：延时时间，由触发脉冲开始（峰值）到开关开始导
通
Ｇ：开关电流上升时间，定义为10%-90%峰值相应的
时间间隔
Ｈ：间隙再充电时间，反转结束到充电至维持电压
Ｉ：电流脉冲宽度（定义为半高宽度值），指开关导通
持续时间
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Ｊ：峰值功率，在同一时刻电压和电流的乘积，指开关 耗散的功率 Ｋ：峰值反转电压，有利于开关的熄弧 Ｌ：峰值反转电流 Ｍ：开关吸收的总能量，电压和电流乘积对时间的积分 Ｎ：传输总电荷量，放电时通过开关的总电荷量 Ｏ：开关的可靠性，运行一定次数下，失误与成功的比 率 Ｐ：开关的寿命，在额定运行条件下，总的工作次数 Ｒ：开关的延时抖动，多个开关同步运行时有所要求
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脉冲功率系统开关的工作特点： 高电压； 大电流； 快速（开通时间微秒至纳秒）
脉冲功率开关的技术难点：
工作的可靠性（该动作时必须动作，不该动作
时绝不动作）
精确的可控性（分散性小）
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脉冲功率开关的种类
脉冲大电流开关的种类很多，没有统一的分类标 准，一般以开关的某一主要特征来进行分类。
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电场畸变型气体火花开关
图中1，2为主电极，3为触发电极。触发电极3处在电极1、2 间某一等位线位置，它在间隙中的电位用电阻R1、R2来控制， 使电极3的电位按电极1、3间的距离和电极2、3间的距离分配。 因为电极3的尺寸小，所以在触发脉冲加到电极3之前，可以认 为电极1、2间的电位分布没有因为电极3而改变。