伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究

　第15卷　第2期强激光与粒子束Vol.15,No.2　　2003年2月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Feb.,2003　文章编号:100124322(2003)022*******

伪火花放电开关的陶瓷表面放电触发研究Ξ

谢建民,　邱毓昌

(西安交通大学电气工程学院,陕西西安710049)

摘　要:　设计了伪火花开关的陶瓷材料表面放电触发器,该触发器体积小,结构简单,可焙烧。经

大量实验(>105次)表明,较传统的表面放电触发器可靠性提高,寿命延长,用它触发的伪火花开关(放

电电压30～2kV)具有稳定的放电时延(50～340ns)和时延抖动(15～40ns)。由于触发电流大,因此可

在极低的开关电压下触发开关,对耐受电压30kV的伪火花开关,其最低可触发开关电压可至600V。

关键词:　伪火花放电开关(PSS);脉冲功率技术;陶瓷表面放电触发;空心阴极效应

中图分类号:TN134.4　　　　文献标识码:A

近20年来,伪火花开关(pseudospark switch,PSS)的研究有了很大进展。伪火花放电是工作在Paschen曲线最低点左侧的低气压空心阴极放电,具有氢气闸流管和高压气体开关的双重优点,其电流导通能力和上升速度(1012A/s)接近高压气体开关,对称电极结构可以通过100%的反向电流,且可以高频工作,研究报道其工作频率可达7kHz[1],在小电流(电流小于20kA,脉冲宽度小于1μs)工作条件下,它的寿命已超过600kC[1～4]。作为一种高重复率高电压大电流的快速反应开关,伪火花开关已在气体激光器,粒子加速器,电集尘设备,体外碎石机等脉冲功率装置中得到成功应用,成为继氢气闸流管和高压气体开关之后又一重要的闭合开关[1～6]。　　在伪火花放电机理研究和开关设计中,触发技术是一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关放电室的设计,而且对开关的电压范围,工作频率和使用寿命有很大影响。到目前为止,已有多种方法可用于伪火花开关的触发,这些方法既可用于单间隙单通道开关,也可用于多间隙和多通道伪火花开关的触发[7～12]。但目前得到广泛应用的只有电荷注入触发(脉冲辉光放电触发与脉冲空心阴极放电触发)和表面放电触发。特别是表面放电触发近年来受到人们的青睐。本文研制了伪火花开关的陶瓷表面放电触发器,实验表明,该触发器具有良好的工作性能和寿命,消除了原有触发器寿命较短的弱点,可以应用于全封闭伪火花开关。

1　陶瓷表面放电触发器原理与设计

1.1　伪火花开关触发原理与特点

伪火花放电的一个重要特征就是开关内电子的平均自由程已接近或大于两个电极之间的间距,因此其间不可能直接产生电子崩及由此引发的击穿放电。伪火花开关的敏感部位是空心阴极,由于空心阴极效应[1～5],电子在阴极中增加很快,所以开关的触发须采用向空心阴极注入电子或等离子体的方式进行。研究表明,要使伪火花开关可靠放电,向空心阴极注入的电子数目必须达到109～1010个[1,2]。伪火花开关表面放电触发单元由表面放电材料及植入其中的两个触发电极构成,整体集成到主放电开关的空心阴极后部(参见图1)。触发时,在电极上施加几千伏的负极性脉冲电压,产生滑闪放电,滑闪放电在陶瓷表面产生一层等离子体并有光辐射,导致开关内气体充分电离与放电。和电荷注入触发相比,表面放电触发产生的时延及抖动很小,且结构简单,不需要维持长期的直流电压,也不需要另外的阻断电势和控制电极以及相应的电路系统。同时由于它的体积小,又处于空心阴极内部,因此采用表面放电触发的伪火花开关的体积也小,其缺点是寿命较短。因为早期的触发器所用表面放电材料的介电常数比较小,大都是聚脂薄膜一类的有机绝缘材料,为降低触发电压,两个触发电极之间的距离都非常小(通常小于1mm),经多次放电后会在电极表面产生烧蚀,影响触发器的寿命和可靠性,而且有机绝缘材料表面的滑闪放电产生的炭痕和气态物质也污染开关内的氢气,并改变其气体压力,从而影响到整个开关的工作性能。为克服这一缺点,近年来,人们开始尝试用介电常数较大的陶瓷材料

Ξ收稿日期:2002209210;　修订日期:2002211213

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(10035020)

作者简介:谢建民(19632),男,博士生,副教授,从事高电压技术及其应用研究;E2mail:jmxie@378d0f7b31b765ce0508149b。

邱毓昌(19342),男,教授,博导,IEEE Fellow,从事高电压技术研究,在国内外公开刊物上发表论文400余篇。

? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

和某些半导体材料来代替原有的有机绝缘材料[3,6,13]。本工作就是这一原理的具体实现。

1.2　伪火花开关设计

开关(图1)由绝缘外壳,开关电极,空心阴极内触发单元构成。电极分别采用不锈钢和铜制成,内径36mm ,内腔高度25mm ,表面厚度4mm ,小孔直径3mm ,阴极和阳极采用相同尺寸,电极间距3mm ;绝缘外壳材料为尼龙(或玻璃),采用O 形圈与电极密封。开关结构和设计参数综合考虑了耐受电压,电流密度,电流上升陡度和开关寿命等因素,研究表明,在影响伪火花放电开关性能的诸多参数中,开关电极间距和小孔直径是最重要的两个量,这里我们选取间距和孔径都是3mm 的设计[1～4]

。

Fig.1　Schematic diagram of PPS 图1　

实验用伪火花开关示意图Fig.2　Curve of PSS self discharge voltage vs gas pressure

图2　开关自放电电压与气压的关系曲线

开关自放电电压与气压关系曲线见图2。开关产生伪火花放电的气压范围是1～29Pa 。由于伪火花放电位于Paschen 曲线最低点的左侧,故最大气压(29Pa )对应的是最低电压(2kV ),而最小气压(1Pa )对应的是最高电压(40kV )。实验发现,当气压大于29Pa 时,开关立刻出现连续的辉光放电,而气压小于1Pa 时,自放电电压已不再升高,基本稳定在40kV 左右。这是因为随着放电电压的升高,两极间的电场强度也在增加,当场强到达某一数值后,开关的击穿电压就由两极间的场强决定,而与气压无关,此时的击穿场强已接近真空中平板电极的击穿场强(13.4kV/mm )。

放电实验显示,本文设计的伪火花开关导通电流大于90kA (实验条件为气压p =4Pa ,电容C =0.981

μF ,开关电压U =35kV ,放电回路无阻尼),反峰系数为90%,电流上升速度大于7.8×1010A/s ,这一数值已接近国外的成品开关数据(1011A/s )[3,4]。

1.3　触发器设计及触发信号产生回路

触发器由触发电极,表面放电材料(陶瓷管),触发信号产生与放大回路构成。环形触发电极由不锈钢材料制作,触发电极与陶瓷管表面紧密接触,两触发电极相距2mm (参见图1)。触发信号由可控硅产生,输出电压为600V ,经由脉冲变压器输出到触发电极,其最大输出电压为14kV 。

2　触发器放电特性实验

脉冲电容器直流电压采用Q 42V 静电电压表测量,电压波形由高压探头Tektronix P6015A (带宽75MHz )和Tektronix —TDS3052型数字存储示波器(带宽500MHz )测得;放电电流采用管式分流器测量,分流器内阻

为4.117m

Ω,经校验,管式分流器方波响应时间达到ns 级,满足实验要求。　　开关的伪火花放电气压范围为1～29Pa 。在这一范围下,陶瓷触发器均能产生可靠的表面放电,放电电压保持在8.6kV (图3),其工作不受气压的影响,只是脉宽有很小的变化,对开关触发性能没有影响。　　触发电流是表征触发性能的一个重要参数,陶瓷触发器的一个特点就是触发电流很大(图4),以充分保证开关击穿所需的初始电子个数。由图4可见,在施加触发电压的同时,触发回路立刻有电流产生,其最大触发电流出现在触发电压阶跃波的最大值时刻。

3　伪火花开关触发性能测试

对伪火花开关触发系统的基本要求是:(1)触发电流大,开关工作电压范围宽。普通伪火花开关的最小工作电压范围是额定工作电压的15%(5kV 左右),在某些特殊场合下,甚至要求低至1%,研究表明,伪火花开关的工作范围由触发方式和触发电路决定[5]。因此,在设计触发单元时,必须要考虑气压对触发性能的影响,应

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Fig.3　Trigger voltage curve at pressure of 20Pa 图3　触发器在20Pa

时的触发电压波形Fig.4　Curve of trigger voltage and trigger current 图4　触发回路电流电压关系

采用不受气压影响的触发方式,而表面放电触发就几乎不受气压的影响。(2)性能可靠,时延短,抖动小,触发准确。时延与抖动在伪火花开关应用的许多场合下都是最重要的参数。(3)寿命长,一般要求触发单元寿命应达到或超过开关主电极的寿命。

3.1　开关工作特性

脉冲功率技术用闭合开关的一个必要特性就是放电电压的跌落过程必须很快,而伪火花放电的一个主要特点就是电极间电压的快速跌落和放电电流的快速上升。之所以有如此高的跌落速度,是因为伪火花开关的空心阴极效应。分析实验数据可知,伪火花开关的电压跌落时间在ns 数量级。以图5为例,施加触发电压后,经过约250ns 的时间,开关电压开始跌落,电压从10kV 开始突降至1kV (图5中的①点),这一过程只用了

50ns 的时间(实验中储能电容为0.981

μF ,气压5Pa ,放电回路无阻尼),之后电压变化进入稳态过程,同时伴随着开关电流的快速上升

。

Fig.5　Curve of switch voltage and discharge current

图5　开关电压与放电电流关系

3.2　开关可触发电压范围

实验表明,具有陶瓷触发器的伪火花开关具有很宽的电压范围,在气压为5Pa 时,开关的自放电电压是30kV ,保持气压不变,从30kV ～600V 的电压下,该触发器都能使开关可靠触发,不同的只是时延和时延抖动有所变化(图6)。

3.3　触发时延与抖动测试

实验表明,具有陶瓷触发器的伪火花开关具有稳定的时延和时延抖动,在30～2kV 的放电电压范围内,分别为(50～300ns )和(15～40ns )。如气压为5Pa 时,开关的自放电电压是30kV 。在开关电压为10kV 时(图5),连续进行了30次放电,得到开关放电电流的时延是200ns ,时延抖动小于20ns 。

3.4　触发器寿命检验

经多次放电实验(>105)后,观察触发器陶瓷表面和电极的烧蚀状况发现,陶瓷材料和不锈钢电极没有任何肉眼可见的烧蚀。特别是触发器的背面,由于面对阴极小孔,直接受到来自小孔的大电流的冲击(本文所有实验电路均在无负载短路条件下进行),除了颜色略有变化外,也未发现有材料的烧蚀现象,说明利用陶瓷作为

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02第2期　　　　　　　　　　谢建民等:

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Fig.6　Curve of discharge current at very low voltage (600V )图6　低电压(600V )下触发时的电流电压波形伪火花开关的表面放电触发材料是可行的。

4　结　论

利用陶瓷材料制作的伪火花开关触发器,具有以下

特性:(1)耐高温,可焙烧,消除了有机绝缘材料下的炭痕

和气体污染现象,因而寿命长,可靠性高。(2)触发电流

大,可在极低的电压下触发开关,对耐受电压35kV 的伪

火花开关,在气压不变的条件下,可触发开关电压低至

600V 。(3)采用陶瓷触发器的伪火花开关具有良好的

时延和时延抖动,在30～2kV 的放电电压下,时延及其

抖动分别为(50～340ns )和(15～40ns )。　　高电压,大电流开关是脉冲功率技术中的一项关键技术,伪火花开关具有高压气体开关和氢气闸流管的综

合优势,是一种极有潜力的新型开关。触发技术是伪火花开关研制中的主要内容,表面放电触发器由于体积小,结构简单,性能不受气压影响等优点长期应用于伪火花开关,选用陶瓷等新型材料使表面放电触发器寿命延长,性能稳定,可用于全封闭伪火花开关中。今后须在提高触发器性能和寿命的前提下,进一步优化触发器的结构和降低触发电压。

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Ceramic surface flashover triggering of pseudospark switchs

XIE Jian 2min ,Q IU Yu 2chang

(Elect rical Engineering Depart ment ,Xi ’an Jiaotong U niversity ,Xi ’an 710049,China )

Abstract :　In this paper ,a new ceramic surface flashover trigger of pseudospark switch is presented for the first time.Ex periments (>105)demonstrate that this trigger has long lifetime and the triggered pseudospark switche provides an excellent delay of 50～340ns and jitter of 15～40ns at the discharge voltage of 30～2kV.The emitted plasma electron density is high enough to trigger switches reli 2ably at a low voltage of 600V.

K ey w ords :　Pseudospark switch (PSS );Pulsed power technology ;Ceramic surface flashover trigger ;Hollow cathode effect

202强激光与粒子束　　　　　　　　　　　　　　第15

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uile.html