觸發(fā)真空開關(guān)工作特性及其機(jī)理的研究.pdf

1、觸發(fā)真空開關(guān)(triggered vacuum switch，TVS)作為一種大功率的可控快速關(guān)合器件，因?yàn)門VS 自身具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、成本低、操作無噪聲、可靠性高及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在高功率脈沖技術(shù)應(yīng)用中越來越受到重視，成為脈沖功率技術(shù)中重要的控制器件。 隨著高功率脈沖技術(shù)及TVS的廣泛應(yīng)用，尤其在一些高精度電源控制領(lǐng)域及高重復(fù)頻率脈沖技術(shù)方面的應(yīng)用，對TVS的工作性能提出了進(jìn)一步的要求。 本文主要針對T

2、VS 工作機(jī)理，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，分別研究了TVS的三個(gè)工作階段，即觸發(fā)過程，導(dǎo)通過程和弧后介質(zhì)恢復(fù)過程的特性。主要研究了TVS 觸發(fā)時(shí)延、觸發(fā)電阻特性，導(dǎo)通時(shí)延及高頻大電流條件下的電弧特性及其介質(zhì)恢復(fù)特性。 論文首先結(jié)合觸發(fā)真空開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)研究了TVS 觸發(fā)階段的觸發(fā)時(shí)延及其分散性、觸發(fā)電阻的特性。觸發(fā)時(shí)延不僅與觸發(fā)間隙長度及間隙的材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受主間隙電壓，觸發(fā)電壓的極性及觸發(fā)能量的影響。研究表明，T

3、VS 在正極性下（觸發(fā)極位于陰極），容易觸發(fā)導(dǎo)通。且在正極性下，觸發(fā)極電壓為正時(shí)觸發(fā)時(shí)延及其分散性小于觸發(fā)電壓為負(fù)的情況。用ansys 對TVS 靜態(tài)空間電場的分布進(jìn)行的仿真，仿真結(jié)果證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著觸發(fā)能量的增大，TVS的觸發(fā)時(shí)延及其分散性都會(huì)減小，觸發(fā)可靠性增加。影響TVS 觸發(fā)壽命的觸發(fā)電阻受觸發(fā)電流和主間隙電弧兩種因素的作用，研究表明，主間隙電弧的作用遠(yuǎn)大于觸發(fā)電流的作用，且在通流實(shí)驗(yàn)次數(shù)不多時(shí)有使觸發(fā)極電阻增大、觸發(fā)電壓減

4、小的趨勢。并提出在TVS 研制中，應(yīng)盡量控制金屬蒸氣沉積帶來的影響，提高產(chǎn)品的使用壽命并穩(wěn)定其工作性能。 對于導(dǎo)通階段，本文通過實(shí)驗(yàn)，研究了導(dǎo)通階段的導(dǎo)通時(shí)延及其分散性，以及TVS高頻大電流導(dǎo)通燃弧過程中電弧特性。研究表明導(dǎo)通時(shí)延受觸發(fā)極性以及觸發(fā)能量的影響。正脈沖觸發(fā)比負(fù)脈沖觸發(fā)，導(dǎo)通時(shí)延及其分散性小。導(dǎo)通時(shí)延隨著觸發(fā)能量、主間隙電壓的增大而減小。TVS 電弧在高頻大電流下具有正的伏安特性。隨著電弧電流的增大，TVS 電弧會(huì)出

5、現(xiàn)三種電弧形態(tài)：擴(kuò)散型電弧形態(tài)、過渡型電弧形態(tài)以及集聚型電弧形態(tài)。擴(kuò)散型電弧弧壓較低，弧壓上疊加有輕微的高頻噪聲電壓信號。在過渡型電弧中，電弧電壓急劇增大，并且疊加有高頻的電壓分量。當(dāng)形成穩(wěn)定的集聚型電弧時(shí)，電極燒蝕嚴(yán)重，電弧電壓相對會(huì)下降。并就可能導(dǎo)致TVS 電弧電流過零時(shí)，開斷失敗。電弧電壓上疊加的高頻噪聲電壓信號是由于電弧燃燒過程中陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)生、熄滅所造成的。陽極斑點(diǎn)越不穩(wěn)定，使得電弧電壓的噪聲分量就越多。 通過實(shí)驗(yàn)研究

6、獲得，TVS的高頻介質(zhì)恢復(fù)特性不僅受峰值電流、電流變化率影響，還受主電流頻率以及弧后恢復(fù)電壓的上升速度的影響。隨著主回路頻率的增大，TVS開斷能力降低，頻率較低時(shí)，即頻率小于2500Hz時(shí)，隨著頻率的增大，TVS 開斷能力顯著降低。而當(dāng)主回路頻率大于2500Hz，隨著頻率的增大，TVS 開斷能力有所降低，但是趨勢區(qū)域平緩。隨著頻率的提高，開斷的峰值電流大體上也呈下降趨勢，但極限峰值電流并不是線性地隨著頻率上升而下降。TVS 高頻開斷能力