CN114006270B - 一种亚纳秒抖动mv级自触发开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种亚纳秒抖动MV级自触发开关，包括两个半球形主电极、触发电极盘、两个触发间隙电极以及均压电阻；两个半球形主电极之间构成主间隙；两个触发间隙电极安装在触发电极盘上，两个触发间隙电极之间构成触发间隙；其改进之处是：均压电阻为两个且阻值相等，分别并联在主间隙阴极与触发间隙阴极之间以及触发间隙阳极与主间隙阳极之间；该开关中均压电阻的阻值控制在1kΩ～4kΩ之间。该开关实现了持续型预电离方式，可以消除触发间隙自击穿抖动对开关抖动的限制，最大程度减小开关抖动，在100ns前沿脉冲下峰值击穿时，单级开关抖动小于1ns，比现有开关最小抖动降低约1/3。

Description

一种亚纳秒抖动MV级自触发开关
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种亚纳秒抖动MV级自触发开关。
背景技术
双极性加载脉冲源可以通过正负脉冲叠加提高输出波形幅值，同时，为了减小负载上脉冲的上升沿，常需采用二级压缩电路。正负脉冲的叠加需要双边脉冲源同步输出，这就要求二级压缩电路中的脉冲转换开关具有较低的时延抖动，同时为了降低装置成本并提高其可移动性，开关需采用自触发技术。
由初级源参数决定，脉冲转换开关需工作在前沿约100～300ns的脉冲电压之下，同时为了保证能量传输效率，该开关需在输入脉冲峰值附近击穿。现有的自触发预电离开关采用分压方式使得触发间隙在主间隙电压达到约80％峰值附近时击穿，以较高的效率对主间隙进行预电离，但由于触发间隙为自击穿，这种方法无法排除触发间隙本身的抖动对开关抖动的限制。
发明内容
为了解决背景技术中现有自触发预电离开关无法排除触发间隙抖动对开关抖动的限制这一问题，本发明提出了一种亚纳秒抖动MV级自触发开关。
本发明的技术方案如下：
一种亚纳秒抖动MV级自触发开关，包括两个半球形主电极、触发电极盘、两个触发间隙电极以及均压电阻；两个半球形主电极之间构成主间隙；两个触发间隙电极安装在触发电极盘上，两个触发间隙电极之间构成触发间隙；
其改进之处是：
均压电阻为两个且阻值相等，分别并联在主间隙阴极与触发间隙阴极之间以及触发间隙阳极与主间隙阳极之间；该开关中均压电阻的阻值控制在1kΩ～4kΩ之间。
进一步地，上述均压电阻采用水电阻结构。
进一步地，上述主间隙为6cm；触发间隙为0.5mm；触发间隙的电容值为15pF；触发间隙电极盘内孔孔径为1.5cm。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明的自触发开关中，仅采用两只均压电阻，并且阻值均控制在1kΩ～4kΩ之间，实现了持续型预电离方式，可以消除触发间隙自击穿抖动对开关抖动的限制，最大程度减小开关抖动，在100ns前沿脉冲下峰值击穿时，单级开关抖动小于1ns，比现有开关最小抖动降低约1/3。
2、本发明的自触发开关中，由于采用水电阻作为均压电阻，进一步降低了开关部件的制作成本，且均压水电阻阻值在较大范围内变化时，对开关抖动没有明显影响，因此即使开关长期运行致使均压电阻阻值发生小范围变化，也不会影响开关的低抖动特性。
附图说明
图1为现有开关的基本结构示意图；
图2为本发明开关触发间隙燃弧电流与均压电阻取值的关系图；
图3为本发明开关的结构示意图；
图4为本发明开关在3种均压电阻取值下的击穿电压及分散性；
图5为本发明开关在3种均压电阻取值下的击穿时延及抖动关系曲线图；
图6为本发明开关在3种均压电阻取值下的触发间隙击穿时延及抖动关系曲线图；
图7为本发明开关与现有开关击穿时延及抖动特性对比图；
图8为本发明开关与现有开关击穿电压与分散性特性对比图。
附图标记如下：
1-主电极、2-主间隙、3-触发电极盘、4-触发间隙电极、5-陶瓷套管、6-触发间隙。
具体实施方式
为了使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体特性数据对本发明提出的亚纳秒抖动MV级自触发开关进一步详细说明。
参见图1，现有自触发开关具有两个不锈钢制半球形主电极1，两个主电极之间构成主间隙2；
一个不锈钢制触发电极盘3，触发间隙电极4固定在触发电极盘3上，触发间隙阳极与触发电极盘3等电位，触发间隙阴极通过一陶瓷套管5与触发电极盘3绝缘；触发间隙阳极和触发间隙阴极之间构成触发间隙6；
并联均压电阻共有3只，分别为并联在主间隙阴极与触发间隙阴极之间的电阻R1；并联在触发间隙阴极与触发间隙阳极之间的电阻Rtr，以及并联在触发间隙阳极与主间隙阳极之间的电阻R2；
该类开关可单级使用，也可以多级串联使用。
现有自触发预电离开关的工作机理分析如下：
预电离触发间隙击穿后，放电分为两个阶段：第一个阶段为电容放电阶段，该阶段释放的能量主要与触发间隙结构电容值和其击穿电压有关，该阶段电流脉冲半宽约10ns，现有的脉冲式预电离注入方法，需使得触发间隙在主间隙电场达到80％附近时击穿，当击穿后，立即预电离主间隙，但此时触发间隙本身的抖动会直接影响开关击穿抖动，且无法消除；第二个阶段为通过开关均压电阻产生的泄漏电流，其主要与开关的均压电阻值有关系；
由于在百纳秒前沿脉冲下，主间隙的等效容抗在数十kΩ量级，触发间隙的等效容抗在数kΩ量级，为了使触发间隙分得的电压为主间隙的几十分之一，现有的自触发预电离开关通常在主间隙并联阻值数十kΩ的均压电阻(即R1和R2)，并在触发间隙处并联阻值数kΩ的均压电阻(即Rtr)，以使触发间隙在主间隙内电场达到较高值后再击穿。此时0.1MPa下开关泄漏电流峰值仅仅在4A左右，并且此种情况下触发间隙很早击穿时预电离不起作用。
为了解决现有开关的上述问题，使得开关泄漏电流增大，同时使得触发间隙分得较高的电压并在开关升压初期击穿，控制主间隙内电场处于较低数值，触发间隙第一阶段放电不起作用，消除触发间隙抖动对开关抖动的影响这一目的。
本发明采用的手段如下：
如图2所示，触发间隙击穿后放电过程分为两个阶段，第一个阶段的放电电流由触发间隙等效电容参数和充电(击穿)电压决定，其波形即为图中的振荡电流波形(图2中的振荡波形从左到右其对应R1和R2的阻值逐渐增大)；第二个阶段的放电电流主要是开关的泄漏电流，主要由开关主间隙均压电阻决定，泄漏电流波形主要与开关加载电压成正比。考虑到脉冲源的负载等效阻抗在数十～百Ω量级，为了使得开关分得绝大部分的电压，同时使得触发间隙较早击穿(第一个放电阶段在主间隙电场到达50％峰值之前完成，不参与主间隙放电过程)，开关均压阻抗不宜小于kΩ量级，同时为了维持开关泄漏电流大于20A每0.1MPa，开关均压阻抗亦不宜大于10kΩ量级。
综合考虑，如图3所示，本发明的开关结构中均匀电阻仅为2只，相当于在现有开关的基础上去掉了并联在触发间隙阴极与触发间隙阳极之间的电阻Rtr，并且剩余的均压电阻R1、R2阻值均控制在1kΩ～4kΩ之间，该结构的开关在0.1MPa下开关泄漏电流峰值可以提高到20A以上，由于预电离能量与电流成正比，此时泄漏电流驱动的触发间隙燃弧能量大大增加，并且由于电阻R1和R2均采用水电阻结构，从而进一步降低了开关部件的制作成本。
为了验证不同幅值的泄漏电流对于开关击穿特性的影响，图4和图5给出了采用3种开关均压电阻阻值时、100ns脉冲前沿下、峰值时间附近击穿时击穿电压及分散性、开关击穿时延及抖动。由图4和图5可以看出，开关工作气压在0.1MPa～0.6MPa之间时，开关击穿电压在200kV～800kV之间，在3种均压电阻阻值下，击穿时延抖动均在1ns左右，均压电阻为1.0kΩ和3.8kΩ时，全工作电压范围内的开关击穿时延抖动均小于1ns，且全工作电压范围内开关击穿电压分散性可被控制在0.3％～0.65％之间。可以看出，均压电阻控制在1kΩ～4kΩ之间时，泄漏电流驱动的触发间隙燃弧可以有效预电离主间隙，且泄漏电流绝对值的变化不会明显影响开关击穿时延抖动。
同时，通过图6中对开关触发间隙时延抖动和开关时延抖动的对比可以看出，3种均压电阻阻值下，触发间隙平均在20ns之前(主间隙内电场达到40％峰值之前)击穿，触发间隙击穿时延抖动约在1.5ns～4.5ns之间，大于开关击穿时延抖动，可以佐证此时触发间隙击穿时延抖动不会影响开关击穿时延抖动的设想。
如图7和图8所示，对比了本发明开关与现有的自触发开关(通过调节Rtr调节触发间隙击穿时刻)击穿特性，可以看出本发明开关进一步降低了开关击穿时延抖动和开关击穿电压分散性，且开关特性不像现有的自触发开关一样受分压电阻的较大影响。

Claims (2)

1.一种亚纳秒抖动MV级自触发开关，包括两个半球形主电极、触发电极盘、两个触发间隙电极以及均压电阻；两个半球形主电极之间构成主间隙；两个触发间隙电极安装在触发电极盘上，两个触发间隙电极之间构成触发间隙；
其特征在于：
均压电阻为两个且阻值相等，分别并联在主间隙阴极与触发间隙阴极之间以及触发间隙阳极与主间隙阳极之间；该开关中每个均压电阻的阻值控制在1kΩ~4kΩ之间；所述均压电阻采用水电阻结构。
2.根据权利要求1所述亚纳秒抖动MV级自触发开关，其特征在于：所述主间隙为6cm；触发间隙为0.5mm；触发间隙的电容值为15pF；触发间隙电极盘内孔孔径为1.5cm。
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