一种基于吸气电极的新型真空触发开关

针对真空触发开关触发时延和抖动大、使用寿命不长的难题,设计了一种基于吸气电极的新型真空触发开关,开展工作寿命测试实验和不同触发极性、主间隙电压和触发能量下的导通特性实验。实验结果表明:与纯金属电极开关相比,吸气电极开关的触发时延和抖动更小,工作寿命更长。负极性触发时的触发时延和抖动均远低于正极性触发。正极性触发的触发时延为1.7～3 μs,抖动为300～700 ns,而负极性触发的触发时延为400～600 ns,抖动为30～70 ns。触发时延和抖动都随着触发能量的增大而减小,但当能量高于一定值后,触发能量对导通特性的影响趋于饱和。     

喷射等离子体触发气体开关导通特性

利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N₂作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。     

针板型触发电晕稳定开关的特性

 为了验证在空气状态下电晕稳定开关的重复频率特性,对自行研制的盘式触发三电极电晕稳定开关的工作特性进行了实验研究,并分析了实验结果。结果表明,在空气状态下,开关具有良好的触发特性,开关抖动和导通时延最小可以分别控制在4, 36 ns;同时,还可以通过减小触发间隙,进一步减小开关的导通时延和增加开关的稳定性。     

气体触发开关击穿过程的光学测量实验研究

文章首先介绍了气体触发开关的三电极结构,SFC-PR0超高速相机的主要性能参数和使用HSFC-PR0超高速相机进行气体触发开关的击穿过程的光学测量实验的实验设计,并利用ANSYS软件对触发开关三电极导通过程进行静电场模拟.初步实验结果表明,气体触发开关击穿过程可分为两个阶段,即触发极与正电极击穿后再与负电极击穿,实验结果与静电场模拟结论一致.该气体触发开关在2411s时正负电极已完全击穿导通,击穿过程迅速,并且击穿导通过程在10.5μs以上,至4.5μs时间内正负电极之间放电火花依次明显增强,而6至10.5μs内放电火花依次减弱,到10.5μs时放电火花最弱,气体触发开关击穿导通过程基本结束.实验证明,超高速相机是研究开关快速击穿放电导通过程的有效手段,本实验为进一步研究高压开关击穿导通过程并提高开关耐压性能提供了参考.     

气体触发开关击穿过程的光学测量实验研究

文章首先介绍了气体触发开关的三电极结构, HSFC-PRO超高速相机的主要性能参数和使用HSFC-PRO超高速相机进行气体触发开关的击穿过程的光学测量实验的实验设计, 并利用ANSYS软件对触发开关三电极导通过程进行静电场模拟. 初步实验结果表明, 气体触发开关击穿过程可分为两个阶段, 即触发极与正电极击穿后再与负电极击穿, 实验结果与静电场模拟结论一致. 该气体触发开关在24ns时正负电极已完全击穿导通, 击穿过程迅速, 并且击穿导通过程在10.5μs以上, 0至4.5μs时间内正负电极之间放电火花依次明显增强, 而6至10.5μs内放电火花依次减弱, 到10.5μs时放电火花最弱, 气体触发开关击穿导通过程基本结束. 实验证明, 超高速相机是研究开关快速击穿放电导通过程的有效手段, 本实验为进一步研究高压开关击穿导通过程并提高开关耐压性能提供了参考.     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

触发区域宽度对砷化镓光导开关输出特性影响

基于TCAD数值仿真软件,建立了异面结构砷化镓光导开关（GaAs PCSS）的二维数值计算模型,研究了触发区域宽度对GaAs PCSS输出特性影响。首先分析了PCSS的瞬态导通特性,结果表明,急剧增加的载流子浓度与快速演化的空间电离畴使PCSS工作在超快速导通模式。基于此,研究了触发区域宽度对PCSS输出特性影响,结果表明,宽度变大会促进载流子密度急剧倍增和雪崩电离畴的快速演化,缩短PCSS的延迟时间和导通时间。研究分析了不同触发位置对延迟时间与导通时间影响,结果表明,阴极触发的延迟时间明显低于阳极触发,而导通时间受触发位置的影响不显著。     

三电极气体火花开关导通电流及其电磁辐射特性

针对三电极气体火花开关工作时产生的强电磁辐射,首先对开关的导通电流及其电磁辐射进行了理论分析,利用CST电磁仿真软件对气体火花开关开展了静电场仿真研究,分析了开关短程导通时的击穿场强;其次对三电极气体火花开关的导通电流和远场辐射场强进行了实验测量,对实验结果进行分析和总结;最后采用电磁屏蔽方法对开关的强电磁辐射进行了有效抑制。研究结果可以为有关脉冲功率装置的电磁辐射及防护提供参考和借鉴。     

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.     

带触发网络的多重火花间隙触发器的研制

提出了一种基于Tesla变压器且带触发网络的多重火花间隙触发器设计方案。阐述了多重火花间隙在直流和脉冲信号下电压分布特性,并给出了其在脉冲电压作用下电压分布的主要影响因素。仿真分析了触发频率、分压电容和均压电阻对多重火花间隙电压分布的影响,确定了触发网络的最佳参数配置。以10级火花间隙为例,从触发器设计三要素,即脉冲陡度、输出幅值、带载能力出发,确定了Tesla型脉冲触发器的关键设计参数,当脉冲变压器的耦合系数为0.7,初级电感为2500 nH,次级电感为400 mH,初级电容为60F,初级电容充电电压为2.0 kV时,次级直接输出的触发高压可实现10级火花间隙的触发导通。结合多重火花间隙导通实验,对作用于多重火花间隙的触发器的工作过程进行实验验证。     

阵列微孔阴极放电触发的纳秒脉冲开关

为了实现在大气压下低触发电压的多通道放电,以阵列微孔阴极结构作为触发装置设计了一种新型纳秒脉冲开关。以激光打孔的双面环氧板为阵列微孔阴极,研究了开关工作系数、微孔阴极放电电流、微孔阴极孔数及微孔阴极孔径对开关触发电压、延迟和抖动时间的影响。实验结果表明:更多的阵列微孔、100 m的微孔孔径能够降低开关的触发电压,同时高开关工作系数、大触发电流、多阵列微孔能够减少开关的延迟和抖动时间。因此,为了获得更高性能的纳秒脉冲开关,除了对开关结构的进一步改善,这几个影响开关性能的因素是设计开关时应主要考虑的。     

新型等离子体喷射触发气体开关

为了提高气体开关的同步性,降低自放电概率和抖动,提出并设计了一种新型等离子体喷射触发气体开关。开关整体结构与传统的三电极场畸变开关相似,最大特点是在触发电极内部嵌入一个微型激励腔,用于产生等离子体喷射。研究了触发电压和气压对等离子体的喷射特性的影响,对比场畸变和等离子体喷射两种触发方式下开关触发特性的差异,并研究触发电压对开关性能的影响。实验结果表明:等离子体喷射高度随触发电压的升高而增加,随气压的升高而降低;采用等离子体喷射触发能够显著降低过压间隙的延时和抖动;提高触发电压不但降低开关的抖动,而且还扩展开关稳定触发的工作范围;当触发电压80kV,工作系数27.4%,开关仍然能够可靠触发,延时和抖动分别为97.1ns和3.5ns。     

固体有机薄膜开关短时延低抖动触发特性

 实验研究了快脉冲触发固体有机薄膜开关的欠压比、触发脉冲幅值、极性效应和间隙距离对触发特性的影响。固体有机薄膜开关具有较快的脉冲前沿，但其触发性能因条件不同而差异很大。对于自击穿电压为10kV的18μm薄膜，在工作电压9kV，触发脉冲上升沿为1ns,脉冲40ns,幅值9kV条件下，测得开关时延为1.1ns， 时延抖动为0.2ns。     

自触发紫外预电离开关脉冲击穿时延抖动影响因素及改进方法

研究了一种自触发紫外预电离开关击穿时延抖动特性的影响因素,结果表明:触发间隙电容放电阶段起预电离作用时,预电离注入时刻开关电场是开关时延抖动的决定性因素,提高工作系数和采用逸出功更低的电极材料对降低开关在脉冲峰值附近击穿时的时延抖动效果有限。提出的改进方法为:减小开关均压电阻阻值,显著延长触发间隙的有效燃弧时间,消除预电离注入时间及抖动的影响。采用改进方法时可以使开关在工作电压300～800 kV、前沿100 ns、180 ns的脉冲峰值附近击穿时的时延抖动分别小于1.3 ns、2.8 ns。     

预电离触发管气体开关特性

利用脉冲火花预电离方式,设计了一种脉冲火花预电离触发的触发管气体开关。开关工作电压等级为100 kV,工作介质采用干燥空气,开关主间隙10 mm,电极材料采用304不锈钢,触发结构设计成盘环嵌套结构。实验结果表明:预电离能够显著减小低工作系数下触发管气体开关的触发时延和抖动。对于ns级快脉冲触发,预电离时刻越早,开关击穿时延和抖动越低。在30 kV/8 ns触发脉冲作用下,脉冲预电离触发的触发管开关在80%工作系数时,平均时延约为40 ns,抖动小于1 ns。     

The characteristics of pulsed hollow cathode discharges used forpseudospark switch triggering

The complex interaction between the trigger discharge and the main switch discharge in high-power gas discharge switches influences both the switching characteristics, and the switch and trigger lifetime. Any attempts to improve either of these parameters has to take into account the pressure and geometry dependence of a particular trigger geometry. Yet, although not very intensely investigated in detail for this particular purpose, pulsed hollow cathode discharges are commonly used for low-pressure gas discharge triggering as in pseudospark switches. Measurements of the electron current flowing to the cathode backplane of a pseudospark switch from the pulsed hollow cathode trigger discharge show that maximum current densities are peaked around the symmetry axis of the trigger electrode, an effect which is more pronounced at low pressures. Delayed (and slowed-down) increase of the current density at larger radii leads to increasing delay and jitter, provided the trigger coupling holes in the cathode backplane are located off-axis. The electron current density increases with decreasing diameter of the trigger electrode, and with increasing pressure of the working gas. In addition, it is shown that a preionization (keep-alive) current in the trigger electrode region shows a distinct influence on the trigger current distribution, proving that there exists an optimum keep-alive current depending on the geometry and gas pressure     

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50 kV提高到70 kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16 MPa提高到0.28 MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80~140 ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。     

Triggering of radial multichannel pseudospark switches by a pulsedhollow cathode discharge

We report on a special trigger discharge for pulsed high-power pseudospark switches. The switch used is a radial three-channel pseudospark switch. For triggering, a cylindrical trigger electrode is inserted into the hollow cathode of the main gap. This electrode acts as a hollow cathode for the dc preionization, while the hollow cathode of the main gap is the anode. A negative high-voltage pulse supplied to the trigger electrode ignites the main discharge. We report the temporal evolution of the trigger discharge observed with a fast camera. This trigger method gives an excellent current distribution among the discharge channels, as can be proven by fast photography. The switch has a delay of 220 ns and a jitter of 15 ns     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。