CN104079279B - 高功率气体开关触发系统 - Google Patents

Abstract

高功率气体开关触发系统，包括串联在高压电极和低压电极之间的高压臂电阻和低压臂电阻，所述高压臂电阻与低压臂电阻的公共端通过第一脉冲器件与触发电极连接，所述低压臂电阻两端并联有第二脉冲器件；第一脉冲器件与触发电极之间连接有回路限流电阻；第一脉冲器件为储能电容、第二脉冲器件为光导开关，或第一脉冲器件为光导开关、第二脉冲器件为储能电容；还包括能将激光光照作用至光导开关的发光器件。本发明具有如下优越性，（1）高功率脉冲功率装置的触发系统更简约；（2）易于实现多个高功率气体开关同步工作；（3）触发光导开关的激光通过光纤引入；可以实现脉冲功率装置同外部系统的高压隔离；（4）脉冲功率装置输出波形的调控更灵活。

Description

高功率气体开关触发系统

技术领域

本发明属于核科学与技术领域，具体涉及在脉冲功率装置中使用的高功率（10⁸-10¹⁰瓦）气体开关的一种触发方式，应用于脉冲功率装置中高功率气体开关的触发，涉及一种高功率气体开关触发系统。

背景技术

高功率气体开关是高功率脉冲功率装置中的关键部件，工作电压一般从几十千伏到几百千伏，电流从几千安到百千安，一般脉冲功率装置中有数个到数百个，甚至更多这样相同的高功率气体开关。但是这些高功率气体开关的正常工作，需要外加几十千伏到百千伏的高电压脉冲（一般称为高压脉冲触发系统），所以需要引入高压电缆，并且高压脉冲触发系统还需要较低电压（例如数千伏）的高压脉冲发生器产生高压脉冲去产生激励脉冲。

光导开关(Photoconductive semiconductor switch, PCSS)具有低抖动、快前沿、光电隔离等优点。光导开关的触发是通过激光激励实现开关导通。若能实现基于光导开关的高压触发单元与高功率气体开关一体化设计，将具有以下优点：（1）高功率脉冲功率装置的触发系统更简约；（2）易于实现多个高功率气体开关同步工作；（3）触发光导开关的激光通过光纤引入，可以实现脉冲功率装置同外部系统的高压隔离。

发明内容

为实现将光导开关应用于高功率气体开关触发系统的目的，本发明公开了一种高功率气体开关触发系统。

本发明所述高功率气体开关触发系统，连接在高功率气体开关的高压电极和低压电极之间，包括串联在高压电极和低压电极之间的高压臂电阻和低压臂电阻，所述高压臂电阻与低压臂电阻的公共端通过第一脉冲器件与触发电极连接，所述低压臂电阻两端并联有第二脉冲器件；

所述第一脉冲器件与触发电极之间连接有回路限流电阻；

所述第一脉冲器件为储能电容、第二脉冲器件为光导开关，或所述第一脉冲器件为光导开关、第二脉冲器件为储能电容；

还包括能将激光光照作用至光导开关的发光器件。

具体的，所述发光器件为激光器。

进一步的，所述发光器件还包括连接在激光器与光导开关之间的光纤。

进一步的，所述发光器件为激光二极管，所述激光二极管与光导开关位于同一机械结构内。

优选的，还包括用于控制高功率气体开关充电和发光器件发光的触发同步电路，所述触发同步电路用于设定高功率气体开关充电和发光器件发光之间的时间间隔。

优选的，所述高压电极与低压电极之间并联有分压电阻串。

具体的，所述储能电容容值在10皮法至100纳法之间。

本发明相对传统高功率气体开关的触发装置具有如下优越性，（1）高功率脉冲功率装置的触发系统更简约；（2）易于实现多个高功率气体开关同步工作；（3）触发光导开关的激光通过光纤引入，可以实现脉冲功率装置同外部系统的高压隔离；（4）脉冲功率装置输出波形的调控更灵活。

附图说明

图1为本发明所述高功率气体开关触发系统的一种具体实施方式结构示意图；

图2为本发明所述高功率气体开关触发系统的又一种具体实施方式结构示意图；

图中附图标记名称为：R1-高压臂电阻 R2-低压臂电阻 R3-回路限流电阻 C-储能电容 CE-触发间隙电容 PCSS-光导开关 SH-高压电极 SL-低压电极 VTRI-触发电极，SP-正极板，SN-负极板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示的实施例中，SH连接高功率气体开关的高压电极，SL连接高功率气体开关的低压电极；R1和R2分别为电阻分压器的高压臂电阻和低压臂电阻，R1和R2连接构成分压单元；PCSS为光导开关，并联在低压臂电阻的两端；C为触发电路的储能电容，一端连接在光导开关、高压臂电阻、低压臂电阻的交点，另一端连接回路限流电阻R3；R3的另一端即触发电极VTRI，连接到高功率气体开关的触发电极；激光光源放置在任意位置，其产生的激光经光纤传输到光导开关，控制光导开关的通断。

高功率气体开关的触发电极VTRI与地之间存在一个触发间隙，该触发间隙等效于一个寄生电容，即图1中的触发间隙电容CE，在通常的使用情况下，高功率气体开关的低压电极接地，即在触发电极VTRI与低压电极SL之间形成一个寄生电容，在图1至2中以虚线表示。

当高功率气体开关的高压电极SH端加载直流电压时，储能电容C一端与高压电极通过高压臂电阻充电获取能量，正极板SP电压为正高压，负极板SN通过触发间隙电容耦合至低电位，当激光触发光导开关PCSS导通后，使储能电容SP端直接与低压电极SL短接，SN端由于与触发电极连接，因此C实际向CE放电，CE两端极性与高功率气体开关电压极性相反，当触发间隙电容CE 因承受储能电容释放的高电压而导通后，储能电容C通过PCSS、触发间隙电容CE、及回路限流电阻R3构成的回路进行放电，产生初始电子，进而引发高功率气体开关的导通。

如图2所示的实施例中，光导开关和储能电容的位置互换，储能电容C并联在低压臂电阻两端，光导开关PCSS连接在回路限流电阻R3和高、低压臂电阻的公共节点之间。

对图2所示的实施例，当高功率气体开关两端加载直流或脉冲电压时，储能电容C连接在高压电极SH和低压电极SL之间，获得能量。随后，激光光源输出激光触发光导开关PCSS导通，储能电容C两端电压随即加载到触发间隙电容CE，极性与高功率气体开关两端电压极性相同。当触发间隙电容CE两端因承受高电压而导通后，触发电容C通过PCSS、触发间隙电容CE 、回路限流电阻R3构成的回路进行放电，引发触发间隙击穿，间隙击穿将产生电火花，引起电离，使得主间隙击穿。

一般地，图1和图2中回路限流电阻R3的取值在几欧姆至几百欧姆，储能电容的容值在10皮法至100纳法之间，视具体情况而定。两个实施例的原理相同，均为利用触发间隙的寄生电容对包含触发间隙电容的回路放电，区别在与触发电极VTRI触发时， VTRI处获得电压的极性不同。此外，图1所示实施例中触发电极经回路限流电阻R3、储能电容C连接至分压电阻的中间节点，由于电容器具有隔离直流通交流的作用，脉冲充电时施加的脉冲电压经分压后通过储能电容C直接加载到触发电极，储能电容由于没有能量储存而导致触发电路失效。因此，图1所示实施例适用于用直流充电情况。

本发明利用激光光导开关对高功率气体开关进行触发，使得传统的体积庞大复杂的高压系统，简化了高功率气体开关的设计，巧妙的利用触发电极的寄生电容作为充电和触发回路的组成，达到生成触发高压从而触发气体开关的目的。

由于采用激光触发的光导开关触发高功率气体开关，省去了复杂的同步控制系统和高压脉冲电源，只需要调节激光的输出和同步就可以调节脉冲功率装置的输出波形，从而使调控更加灵活。

所述发光器件为激光器。激光的波长、脉宽和能量与光导开关的工作模式和光电导方式密切相关。激光器需电源、冷却水箱等辅助部件，体积较大，但输出的激光能量高、光束品质好。本发明在采用激光器作为激光光源时，可以配合光纤一起使用，将体积庞大但出光质量好的激光器置于远端，通过光纤将激光传输到光导开关附近，从而提高了激光器的灵活性；同时，激光器可通过分束用于多个光导开关的同步触发。

激光二极管体积较小，多个激光二极管可构成阵列，采用激光二极管作为激光光源时，可以直接将其放置在高功率气体开关电极处，例如可以将激光二极管和光导开关置于同一机械结构内，例如一个盒体或槽体等，也可以放置在远端，配合光纤传输。采用激光器可将激光光源放置在远离光导开关的位置。

以上采用光纤分束输入控制各个光导开关，易于实现多个高功率气体开关同步工作；光纤的引入也便于实现脉冲功率装置同外部系统的高压隔离。

为进一步提高高、低压电极上电和光导开关导通的时序间隔精确度，可以设置气体开关充电和发光器件发光的触发同步电路，所述触发同步电路用于设定高功率气体开关充电和发光器件发光之间的时间间隔。可以采取外接延时同步机等设备控制高功率气体开关的充电与光导开关的触发同步性。理论上说，只要上电之后，各个电极和储能电容完成充电，即可进行光照触发动作，充电时间取决于各个节点的电容总量及上电电源自身，一般间隔时间可以控制在毫秒以下的纳秒级别，使用同步电路的形式可以显著缩短间隔时间和提高控制的精确度。还可以在所述高压电极与低压电极之间并联有分压电阻串，从分压电阻串的中间节点取得中间电压，为触发电极的触发供电。

本发明相对传统高功率气体开关的触发装置具有如下优越性，（1）高功率脉冲功率装置的触发系统更简约；（2）易于实现多个高功率气体开关同步工作；（3）触发光导开关的激光通过光纤引入，可以实现脉冲功率装置同外部系统的高压隔离；（4）脉冲功率装置输出波形的调控更灵活。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.高功率气体开关触发系统，连接在高功率气体开关的高压电极和低压电极之间，

其特征在于，包括串联在高压电极和低压电极之间的高压臂电阻和低压臂电阻，所述高压臂电阻与低压臂电阻的公共端通过第一脉冲器件与触发电极连接，所述低压臂电阻两端并联有第二脉冲器件；

所述第一脉冲器件与触发电极之间连接有回路限流电阻；

所述第一脉冲器件为储能电容、第二脉冲器件为光导开关，或所述第一脉冲器件为光导开关、第二脉冲器件为储能电容；

还包括能将激光光照作用至光导开关的发光器件；

所述高压电极与低压电极之间并联有分压电阻串；

所述储能电容容值在10皮法至100纳法之间。

2.如权利要求1所述的高功率气体开关触发系统，其特征在于，所述发光器件为激光器。

3.如权利要求2所述的高功率气体开关触发系统，其特征在于，所述发光器件还包括连接在激光器与光导开关之间的光纤。

4.如权利要求2所述的高功率气体开关触发系统，其特征在于，所述发光器件为激光二极管，所述激光二极管与光导开关位于同一机械结构内。

5.如权利要求1所述的高功率气体开关触发系统，其特征在于，还包括用于控制高功率气体开关充电和发光器件发光的触发同步电路，所述触发同步电路用于设定高功率气体开关充电和发光器件发光之间的时间间隔。