CN117335781A - 一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，包括第一、第二绝缘介质层(105、106)、介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)、隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)。隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)处于第一绝缘介质层(105)的槽中，二者之间存在间隙(201)；第二绝缘介质层(106)从上方覆盖第一绝缘介质层(105)；介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)分别固定于第二绝缘介质层(106)上表面和第一绝缘介质层(105)下表面。还提供一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关方法。本发明并非直接通过触发电极放电产生初始等离子体，使得触发放电的脉冲高压源与被控制的高压回路能够很好地隔离，有效减小触发源和控制高压回路直接的干扰，提高整个系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体技术，具体涉及一种基于介质阻挡放电产生等离子体，诱导高压火花开关导通从而实现隔离高压火花开关的装置及方法。
背景技术
脉冲电弧等离子体流动控制技术是一种较有潜力的高速流动控制方法，通过脉冲火花放电形成电弧等离子体，瞬间加热局部气体，产生热气团、冲击波，从而和高速来流产生相互作用，达到促进附面层转捩、减弱激波强度、减小激波总压损失等作用。
为产生脉冲电弧等离子体，在电源端需要将能量预先储存在电容中，利用高压开关将激励器与电容的高压端瞬间导通，利用高压击穿空气产生等离子体，从而实现流动控制。在整个电路中，由于高压开关控制的电压高，导通后允许通过的电流大，因此目前常用的IGBT等固态开关器件都难以可靠工作，通常只能采用火花开关。但是火花开关的导通电压存在较大波动，难以实现精准控制。特别是在一些需要精确控制频率开展研究的场景中，常规的两电极火花开关难以满足需求。
三电极火花开关引入第三个电极，利用外部脉冲源产生的高压实现局部电离产生等离子体，从而实现精准控制火花开关的导通时机。但是三电极形式的火花开关，外部高压触发源和原有的高压回路处于强耦合关系。在工作工程中外部的高压触发源和原有的高压回路容易相互干扰，导致触发源损坏。
综上，目前脉冲电弧中采用的三电极触发型火花开关存在无法隔离触发源和等离子体高压源，导致工作可靠性不足的问题，难以满足实际需求。
发明内容
有鉴于此，针对触发型火花开关存在无法隔离触发源和等离子体高压源的问题，本发明提供一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，该装置包括第一、第二绝缘介质层(105、106)、介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102、隔离开关阳极103、隔离开关阴极104；其中
第二绝缘介质层106为薄矩形板；
第一绝缘介质层105为薄矩形板，其厚度比第二绝缘介质层106厚，第一绝缘介质层105延其横向轴线开横向贯通槽，槽的纵向截面形状为矩形；第一绝缘介质层105和第二绝缘介质层106在水平面上的投影完全重合；
隔离开关阳极103为长条状矩形体，其长度小于第一绝缘介质层105横向长度的一半，其纵向横截面形状与第一绝缘介质层105开槽横截面相同，隔离开关阳极103完全放入第一绝缘介质层105的槽中并与之形成紧配合，隔离开关阳极103上表面与第一绝缘介质层105上表面齐平；
隔离开关阴极104的形状与隔离开关阳极103一致；隔离开关阳极103、隔离开关阴极104分别装进槽中并分别形成紧配合，隔离开关阳极103左端面与第一绝缘介质层105左端面齐平，隔离开关阴极104右端面与第一绝缘介质层105右端面齐平；在隔离开关阳极103、隔离开关阴极104之间形成一个矩形空间，该空间为间隙201；
将第二绝缘介质层106从上方覆盖装有隔离开关阳极103、隔离开关阴极104的第一绝缘介质层105，将第一绝缘介质层105和第二绝缘介质层106固定连接，形成为一个整体结构；
介质阻挡放电阳极101为矩形块或矩形薄片，其固定于第二绝缘介质层106上表面，位于于间隙201正上方，其在水平面上的投影图形大于间隙201在水平面上的投影图形：其在水平面上的投影将间隙201在水平面上的投影完全包含在内，且介质阻挡放电阳极101投影边缘均在间隙201投影边缘之外；
介质阻挡放电阴极102的形状与介质阻挡放电阳极101相同，其固定于第一绝缘介质层105下表面，位于于间隙201正下方，其在水平面上的投影与介质阻挡放电阳极101在水平面上的投影完全重合。
在本发明的一个实施例中，第一绝缘介质层105厚度为1～4mm，第二绝缘介质层106厚度为0.3～2mm；第一绝缘介质层105中间凹槽深度为0.5～2mm，宽度为0.5～3mm。
在本发明的一个具体实施例中，第一绝缘介质层105厚度为2mm，第二绝缘介质层106厚度为0.5mm；第一绝缘介质层105中间凹槽深度为1mm，宽度为2mm。
在本发明的另一个实施例中，隔离开关阳极103、隔离开关阴极104由金属构成，厚度为0.5～2mm，宽度为0.5～3mm；隔离开关阳极103和隔离开关阴极104之间间隔0.5～5mm。
在本发明的另一个具体实施例中，隔离开关阳极103、隔离开关阴极104厚度为1mm，宽度为2mm；隔离开关阳极103和隔离开关阴极104之间间隔为2mm。
在本发明的又一个实施例中，介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102长度为2～10mm，宽度为2～10mm，需保证介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102在水平面上的投影面积大于间隙201的投影面积。
在本发明的又一个具体实施例中，介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102长度为3mm，宽度为3mm。
在本发明的再一个实施例中，介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102由铜箔或者铝箔构成；第一、第二绝缘介质层105、106由耐高温陶瓷加工而成。
还提供一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关方法，其基于上述基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，该装置将按照如下方式进行工作：当外部输入高压加载到介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102时，绝缘介质板中间的间隙201将产生介质阻挡放电，间隙201内部的空气击穿形成等离子体区域202；此时间隙201中的空气将由绝缘体变为导体，实现开关导通功能
本发明利用双层介质阻挡放电产生空间等离子体，利用空间等离子体的导体特性触发高压火花开关。相比与现有的三电极触发型火花开关，本发明基于介质阻挡放电的火花开关采用介质阻挡产生初始的等离子体，而不是直接通过触发电极放电产生初始等离子体。这种设计利用介质较强的绝缘特性，使得触发放电的脉冲高压源与被控制的高压回路能够很好地隔离，能够有效减小触发源和控制高压回路直接的干扰，提高整个系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置示意图，其中图1(a)示出开关装置沿横向轴线剖开的剖视图；图1(b)示出各个部件的组成的爆炸图，图1(c)示出延其横向轴线剖开的三维视图；
图2为本发明基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关工作过程。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明。
参见图1，本发明的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置主要由第一、第二绝缘介质层(105、106)、介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102、隔离开关阳极103、隔离开关阴极104组成。图1(a)示出开关装置沿横向轴线剖开的剖视图；图1(b)示出开关装置各个部件的组成的爆炸图；图1(c)示出延其横向轴线剖开的三维视图剖开的三维图。
由图1可见，第二绝缘介质层106为薄矩形板。
第一绝缘介质层105亦为薄矩形板，其厚度较之第二绝缘介质层106略厚，第一绝缘介质层105延其横向轴线开横向贯通槽，槽的纵向截面形状为矩形。
第一绝缘介质层105和第二绝缘介质层106在水平面上的投影完全重合。
隔离开关阳极103为长条状矩形体，其长度略小于第一绝缘介质层105横向长度的一半，其纵向横截面形状与第一绝缘介质层105开槽横截面相同，便于将其完全放入槽中并形成紧配合，且上表面与第一绝缘介质层105上表面齐平。
隔离开关阴极104的形状与隔离开关阳极103基本一致。装配时，将隔离开关阳极103、隔离开关阴极104分别装进槽中并分别形成紧配合，隔离开关阳极103左端面与第一绝缘介质层105左端面齐平，隔离开关阴极104右端面与第一绝缘介质层105右端面齐平。由此，在隔离开关阳极103、隔离开关阴极104之间形成一个矩形空间，该空间为间隙201。
在将隔离开关阳极103、隔离开关阴极104装入第一绝缘介质层105之后，将第二绝缘介质层106从上方覆盖第一绝缘介质层105，并通过例如黏合的方式将第一绝缘介质层105和第二绝缘介质层106固定连接，形成为一个整体结构。
介质阻挡放电阳极101为矩形块或矩形薄片，其通过例如粘合的方式固定于第二绝缘介质层106上表面，位于于间隙201正上方，其在水平面上的投影图形略大于间隙201在水平面上的投影图形，即是，其在水平面上的投影将间隙201在水平面上的投影完全包含在内，且介质阻挡放电阳极101投影边缘均在间隙201投影边缘之外。
介质阻挡放电阴极102的形状与介质阻挡放电阳极101相同，其通过例如粘合的方式固定于第一绝缘介质层105下表面，位于于间隙201正下方，其在水平面上的投影与介质阻挡放电阳极101在水平面上的投影完全重合。
第一、第二绝缘介质层105、106由耐高温陶瓷加工而成，第一绝缘介质层105厚度为1～4mm，优选2mm，第二绝缘介质层106厚度为0.3～2mm，优选0.5mm。介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102由铜箔或者铝箔构成，确保和绝缘介质粘贴牢靠，内部无气隙，长度为2～10mm，优选3mm，宽度为2～10mm，优选3mm，需保证介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102在水平面上的投影面积大于间隙201的投影面积。隔离开关阳极103、隔离开关阴极104由金属构成，可选用铜、钨、高合等材料加工而成，电极厚度0.5～2mm，优选1mm，宽度为0.5～3mm，优选2mm。隔离开关阳极103和隔离开关阴极104之间间隔0.5～5mm，优选2mm，该间隔形成间隙201。第一绝缘介质层105中间形成贯穿的凹槽，深度为0.5～2mm，优选1mm，宽度为0.5～3mm，优选2mm。
通过这样的设计，整个放电装置将按照如下方式进行工作：当外部输入高压加载到介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102时，绝缘介质板中间的间隙201将产生介质阻挡放电，间隙201内部的空气击穿形成等离子体区域202。此时隔离开关阳极103、隔离开关阴极104之间的空气，即间隙201中的空气，将由绝缘体变为导体，实现开关导通功能。由于隔离开关阴阳极(103、104)和介质阻挡放电的阴阳极(101、102)完全由绝缘介质(105、106)隔离，因此触发导通的高压和被控制高压回路完全隔离，从根本上避免了传统触发型火花开关导致触发回路和控制回路相互干扰问题，提高了点火系统的可靠性。
具体实施例
参见图1，本发明的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置主要由第一、第二绝缘介质层(105、106)、介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102、隔离开关阳极103、隔离开关阴极104组成。第一、第二绝缘介质层105、106由耐高温陶瓷加工而成，第一绝缘介质层105厚度为2mm，第二绝缘介质层106厚度为0.5mm。介质阻挡放电阳极101、介质阻挡放电阴极102由铜箔或者铝箔构成，确保和绝缘介质粘贴牢靠，内部无气隙，长度为2～10mm，优选3mm，宽度为2～10mm，优选3mm，粘贴位置需保证投影完全覆盖间隙201的投影。隔离开关阳极103、隔离开关阴极104由金属构成，可选用铜、钨、高合等材料加工而成，电极厚度1mm，宽度2mm。隔离开关阳极103和隔离开关阴极104之间间隔2mm。第一绝缘介质层105中间形成贯穿的凹槽，深度为1mm，宽度2mm。
Claims (9)
1.一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，该装置包括第一、第二绝缘介质层(105、106)、介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)、隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)；其中
第二绝缘介质层(106)为薄矩形板；
第一绝缘介质层(105)为薄矩形板，其厚度比第二绝缘介质层(106)厚，第一绝缘介质层(105)延其横向轴线开横向贯通槽，槽的纵向截面形状为矩形；第一绝缘介质层(105)和第二绝缘介质层(106)在水平面上的投影完全重合；
隔离开关阳极(103)为长条状矩形体，其长度小于第一绝缘介质层(105)横向长度的一半，其纵向横截面形状与第一绝缘介质层(105)开槽横截面相同，隔离开关阳极(103)完全放入第一绝缘介质层(105)的槽中并与之形成紧配合，隔离开关阳极(103)上表面与第一绝缘介质层(105)上表面齐平；
隔离开关阴极(104)的形状与隔离开关阳极(103)一致；隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)分别装进槽中并分别形成紧配合，隔离开关阳极(103)左端面与第一绝缘介质层(105)左端面齐平，隔离开关阴极(104)右端面与第一绝缘介质层(105)右端面齐平；在隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)之间形成一个矩形空间的间隙(201)；
将第二绝缘介质层(106)从上方覆盖装有隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)的第一绝缘介质层(105)，将第一绝缘介质层(105)和第二绝缘介质层(106)固定连接，形成为一个整体结构；
介质阻挡放电阳极(101)为矩形块或矩形薄片，其固定于第二绝缘介质层(106)上表面，位于于间隙(201)正上方，其在水平面上的投影图形大于间隙(201)在水平面上的投影图形：其在水平面上的投影将间隙(201)在水平面上的投影完全包含在内，且介质阻挡放电阳极(101)投影边缘均在间隙(201)投影边缘之外；
介质阻挡放电阴极(102)的形状与介质阻挡放电阳极(101)相同，其固定于第一绝缘介质层(105)下表面，位于于间隙(201)正下方，其在水平面上的投影与介质阻挡放电阳极(101)在水平面上的投影完全重合。
2.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，第一绝缘介质层(105)厚度为1～4mm，第二绝缘介质层(106)厚度为0.3～2mm；第一绝缘介质层(105)中间凹槽深度为0.5～2mm，宽度为0.5～3mm。
3.如权利要求2所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，第一绝缘介质层(105)厚度为2mm，第二绝缘介质层(106)厚度为0.5mm；第一绝缘介质层(105)中间凹槽深度为1mm，宽度为2mm。
4.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)由金属构成，厚度为0.5～2mm，宽度为0.5～3mm；隔离开关阳极(103)和隔离开关阴极(104)之间间隔0.5～5mm。
5.如权利要求4所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，隔离开关阳极(103)、隔离开关阴极(104)厚度为1mm，宽度为2mm；隔离开关阳极(103)和隔离开关阴极(104)之间间隔为2mm。
6.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)长度为2～10mm，宽度为2～10mm，需保证介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)在水平面上的投影面积大于间隙(201)的投影面积。
7.如权利要求6所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)长度为3mm，宽度为3mm。
8.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)由铜箔或者铝箔构成；第一、第二绝缘介质层(105、106)由耐高温陶瓷加工而成。
9.一种基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关方法，其基于如权利要求1至8任一项所述的基于介质阻挡放电的隔离高压火花开关装置，其特征在于，该装置将按照如下方式进行工作：当外部输入高压加载到介质阻挡放电阳极(101)、介质阻挡放电阴极(102)时，绝缘介质板中间的间隙(201)将产生介质阻挡放电，间隙(201)内部的空气击穿形成等离子体区域(202)；此时间隙(201)中的空气将由绝缘体变为导体，实现开关导通功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |