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(wú)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(lái)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(duì)TVS的工作性能提出了進(jìn)一步的要求。 本文主要針對(duì)T

2、VS 工作機(jī)理，通過(guò)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(guò)程，導(dǎo)通過(guò)程和弧后介質(zhì)恢復(fù)過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(duì)TVS 靜態(tài)空間電場(chǎng)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(shì)。并提出在TVS 研制中，應(yīng)盡量控制金屬蒸氣沉積帶來(lái)的影響，提高產(chǎn)品的使用壽命并穩(wěn)定其工作性能。 對(duì)于導(dǎo)通階段，本文通過(guò)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(guò)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(guò)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(hào)。在過(guò)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(duì)會(huì)下降。并就可能導(dǎo)致TVS 電弧電流過(guò)零時(shí)，開斷失敗。電弧電壓上疊加的高頻噪聲電壓信號(hào)是由于電弧燃燒過(guò)程中陽(yáng)極斑點(diǎn)的產(chǎn)生、熄滅所造成的。陽(yáng)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(guò)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(shì)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(shì)，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