基于TVS的控制器设计

胡元啸，马林生，冯盼盼，李起

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 前言

真空触发开关(TVS)又称真空触发间隙(Triggered Vacuum Gap，TVG)，是真空开关的重要分支。作为电路控制器件，其结构是山密闭在真空室内两个或两组电绝缘的主电极(一般情况下还有触发电极)组成。主电极形成的间隙在常态下依靠高真空保持绝缘，当需要接通电路时，山外加触发能量使两主电极快速导通。

通过对触发结构设计的改进和使用TVS控制器来解决有关TVS延时特性的问题。控制器和改进的触发器是根据真空断路器的研究经验研发的。本实验采用的是两种不同触发单元的TVS，实验的结果将显示出触发结构和主间隙的电压对TVS延时特性的影响。

2 实验

2.1 测试电路

实验中在TVS主电极上连接一个LC共振电路，如图1所示。该测试电路能够产生一个频率为2589Hz的大电流。在电路中脉冲调制的电容被用作能量存储元件，电容量为8μF。当TVS被触发时，电源向绕组提供高功率的脉冲能量，绕组的感应系数为3.5μH。

图1 TVS实验电路

在阴极的动作模式下，用实验的方法研究密封的TVS延时特性。触发极设在阴极，主间隙的极性是阳极。高压分压器和示波器被用于测量触发电压和此时主电极间的电压。

2.2 TVS的结构

TVS的原理图如图2所示。电极材料采用直径为57mm的铜铬合金。电极和触发引脚中间的小孔直径分别为4mm和2mm。触发引脚由涂钍的钨制成。密封真空的压强维持在1.40×10－5Pa以下。实验采用两种真空触发开关TVS－A和TVS－B，它们在触发结构上有所不同，原理图如图3所示。TVS－B的阴极形状与前者相似，而触发极的设计有所不同。主电极之间的距离L为8mm，触发极上表面到阴极的表面距离d为0.5mm。TVS－A和TVS－B的L和d的值是相同的。

图2 TVS的结构示意图及图片

图3 触发单元的结构示意图

TVS－A的触发极是棒形的，阴极中间的孔洞为圆柱形。而TVS－B的空洞为梯形状，同时触发引脚被专门设计为形状－Ⅰ。与TVS－A相比，TVS－B在触发结构上的改进使得它们虽然有相同的L和d，但有一个更不均匀的电场，这种改进使得TVS－B更容易被触发。

3 TVS控制器

图4反映了TVS控制电路的电能分配。这是一个能够同时产生低电压、大电流和高电压、低电流的电路。该电路图在图4的上部分。首先，计算机给出一个控制信号触发晶闸管，同时电容器C1放电。产生的感应高电压导通TVS的触发沟道，接着低电流流通。如果此电流能够产生足够大的触发能量，那么电容器C2将通过这个导通的回路放电，同时将形成一个大电流的脉冲，生成的脉冲激发火花间隙G。

当G被激发后，触发器电容C3将通过火花间隙和触发间隙放电，这将迅速击穿TVS的主间隙。图1中的电容C将通过主间隙放电。

图4 TVS控制器回路

通过这种方式，将产生密集的初始等离子球，这使得一个高可靠性的触发器成为可能。

4 结果和讨论

TVS在结构上的改进和控制器对降低延迟时间和抖动时间是一种良好的方法。触发延时的典型波形如图5所示。在图5中CH1代表触发电压波形的测量值，CH2表示主间隙电压波形的测量值。外加触发电压为正极，电容C3的充电电压也为正。

控制器中的触发能量可以通过改变图4中C3的容量方便地调整。其中W为触发能量，

C为电容C3的容量，U为C3的充电电压。计算结果记录在表1中。

表1 触发能量的计算结果

触发能量对延时时间的影响由图6所示，对抖动时间的影响由图7所示。主间隙间的电压被维持在12.5kV。如图6和图7所示，当触发能量相对较低时，延时时间就会变长。随着触发能量的增加，延迟时间显著地降低。当触发能量超过一定数值时延迟时间就趋近一个定值。对比TVS－A，在相同的触发能量下TVS－B有更少的延迟时间和抖动时间，很可能是由于TVS－B在结构上的改进。TVS－B触发引脚形状－Ⅰ产生了一个更为不一致的电场。这将使得TVSB更容易被触发。维持C3的值为32000pF，则触发电压击穿主间隙的最低电压如图8所示。在图8中，随着触发电压在触发间隙的增加，所需的最低击穿电压降低。因为较高的触发电压意味着将有更高的触发能量输入触发沟道，所需的最低电压就较低。

图6 触发能量对延时的影响

图7 触发能量对抖动时间的影响

图8 触发电压对主间隙最小击穿电压的影响

和TVS－A相比，在相同的触发电压下，TVS－B的最低击穿电压有轻微降低。这表明触发单元在结构上的改进对所需最低击穿电压影响不大。而TVS的延时特性极大地受到主间隙电压的影响。图9显示了主间隙电压对延迟时间的影响，图10表示主间隙电压对抖动时间的影响。当触发能量维持在1.6J时，明显看出延迟和抖动时间随着主间隙电压的升高显著地降低。当TVS被触发时，初始等离子将被迅速地发射到主间隙，随即形成一个等离子壳体，它将提高电极近表面的电场。这个充分大的电场使得阴极点产生爆炸，产生金属蒸汽和电子，这些电子导通主放电电流。在这个过程中，初始等离子扩散速度是正比于主放电电流。如果在此测试电路中阻抗是不变的，那么它又与主间隙的电压成正比。在这种情况下，越高的主间隙电压导致TVS的击穿越快越稳定。显然，由图9和图10可以看出，当应用相同的主间隙电压时，TVS－B在延时和抖动时间方面有比TVS－A更优越的性能。

图9 主间隙电压对延迟时间的影响

图10 主间隙电压对抖动时间的影响

主间隙电压与触发概率的关系如表2所示。此时触发能量保持为0.064J。表Ⅱ表示触发概率随主间隙电压升高而升高。当主间隙电压低于2kV时触发概率为0;当主间隙电压高于9kV时触发概率为100%。由于触发能量极大地影响了初始等离子的形成和流向主间隙，这种现象可能是因为触发能量较小，以致不能产生足够的初始等离子去击穿主间隙。

表2 主间隙的电压和触发概率之间的关系

5 总结

本文介绍了通过电极操作模式的实验检验出用TVS－A和TVS－B命名的两个密封的TVS管的延时特性。在此提出了一个有关TVS控制的新颖设计。此控制器的控制能量可以方便地调整。使用0.064J的触发能量就可以使主间隙引起电火花。通过提高触发能量，延迟时间和抖动时间会急剧地降低。

试验结果表明，延时和抖动时间随主间隙电压提高显著降低。提高间隙电压可以提高触发概率。TVS在结构和控制器方面的改进是一种有效的方式用于降低延迟时间和抖动时间。实验表明，TVS－B在降低延迟和抖动时间比TVS－A表现得更好。尤其是当TVS－B的触发能量为1.6J时延迟时间为2.3μs，抖动时间为1.2μs。

TVS有良好的关合特性，而且放电期间没有爆炸声。在电磁式的发射器中被用作快速熔断开关或者应用于其他大电流高电压的脉冲功率系统。

［1］曾正中.实验脉冲功率技术引论［M］.陕西:科学技术出版社，2003.

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