高功率真空觸發(fā)開關(guān)性能實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)研究.pdf

1、隨著脈沖功率技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用,脈沖功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究受到越來(lái)越多的重視,而開關(guān)作為脈沖功率系統(tǒng)的核心組件一直以來(lái)都是阻礙脈沖功率技術(shù)快速發(fā)展的瓶頸。真空觸發(fā)開關(guān)(Triggered Vacuum Switch—TVS)作為開關(guān)的一種,具有工作電壓范圍寬、高庫(kù)侖電量導(dǎo)通特性和高觸發(fā)準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn),但存在大電流下使用壽命不長(zhǎng)的問題。為改善TVS在大電流時(shí)觸發(fā)機(jī)構(gòu)失效和主電極燒蝕的問題,本文對(duì)TVS的觸發(fā)極和主電極壽命開展大量實(shí)

2、驗(yàn)工作,提出性能改進(jìn)方法,使其工作壽命得到提高。
　　為對(duì)高功率TVS的觸發(fā)機(jī)構(gòu)失效與性能改進(jìn)進(jìn)行研究,搭建TVS觸發(fā)回路和主回路。首先對(duì)平行圓盤型TVS進(jìn)行觸發(fā)性能實(shí)驗(yàn),該TVS結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,觸發(fā)環(huán)為半導(dǎo)體材料。實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)平行圓盤型TVS在多次工作后觸發(fā)極-陰極間絕緣電阻下降明顯,容易導(dǎo)致誤觸發(fā),不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
　　為使觸發(fā)極躲開主間隙放電電弧以避免其被燒蝕,設(shè)計(jì)平行多棒型TVS,其觸發(fā)環(huán)為高鋁瓷材料。分別對(duì)不同

3、尺寸的TVS,不同厚度的觸發(fā)環(huán)和觸發(fā)環(huán)表面有無(wú)涂釉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果得到當(dāng)TVS的觸發(fā)環(huán)距離為0.5 mm時(shí),滿足10 kV的觸發(fā)電壓要求,觸發(fā)環(huán)表面涂釉時(shí)可以有效的降低沿面金屬沉積,提高觸發(fā)極的使用壽命。
　　為改進(jìn)沿面型TVS的絕緣極電阻隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加逐漸減小的問題,設(shè)計(jì)一種T型觸發(fā)極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)擊穿型TVS,觸發(fā)極邊角與帶有傾角的陰極之間區(qū)域?yàn)橛|發(fā)放電區(qū)域。該結(jié)構(gòu)可以增大電場(chǎng)畸變程度,降低所需觸發(fā)電壓。為設(shè)計(jì)合適的場(chǎng)擊穿型T

4、VS,進(jìn)行了真空中板—板和針—板實(shí)驗(yàn)研究,獲得不同間隙距離和大氣壓強(qiáng)情況下?lián)舸╇妷旱淖兓?guī)律。對(duì)設(shè)計(jì)的TVS進(jìn)行極性效應(yīng)分析,得到主電極正極性時(shí)觸發(fā)成功率高于主電極負(fù)極性時(shí)的結(jié)論,并分析了觸發(fā)電流的不同對(duì)場(chǎng)擊穿觸發(fā)間隙擊穿過(guò)程的影響。
　　研究TVS主電極燒蝕和性能改進(jìn)方法,對(duì)平行圓盤型TVS進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)。幾十次大電流實(shí)驗(yàn)后,解剖開圓盤型TVS,發(fā)現(xiàn)主電極的陰極、陽(yáng)極表面,以及金屬屏蔽罩燒蝕都很嚴(yán)重。對(duì)平行多棒型TVS電極燒蝕進(jìn)行

5、實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在額定電流下多次實(shí)驗(yàn)后,主電極燒蝕并不嚴(yán)重,但是隨著電流的增大,主電極燒蝕變得明顯,并且對(duì)TVS的燒蝕進(jìn)行定量計(jì)算,得到TVS閉合電流與電極面積的關(guān)系。
　　對(duì)高功率TVS觸發(fā)機(jī)構(gòu)和主電極燒蝕機(jī)理進(jìn)行研究,為分析TVS的觸發(fā)機(jī)構(gòu)失效機(jī)理。對(duì)實(shí)驗(yàn)后觸發(fā)環(huán)成分進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加,觸發(fā)環(huán)表面金屬沉積也線性增加。用真空電弧原理解釋主電極燒蝕與失效機(jī)理,可以得到多棒型TVS首先在棒—板之間放電產(chǎn)生電弧,最后在棒—

6、棒之間形成電弧,這種結(jié)構(gòu)能將電弧分割成多段,并使真空電弧保持在并聯(lián)狀態(tài)。對(duì)場(chǎng)擊穿型和沿面擊穿型TVS,在不同間隙距離、錐形套角度下內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行仿真,獲得不同情況下內(nèi)部電場(chǎng)的變化情況,更為全面地了解TVS導(dǎo)通機(jī)理。
　　研究觸發(fā)源對(duì)TVS觸發(fā)性能的影響。結(jié)果表明,在間接觸發(fā)回路中,通過(guò)減小脈沖變壓器的漏感和增大電容C1,觸發(fā)回路電流將增大,時(shí)延將減小;在續(xù)流電路中觸發(fā)回路的電流上升率可以達(dá)到150 A/μs,時(shí)延在2-4μs之間;在