微秒脉冲电压下2 MV电容耦合自触发开关设计

李俊娜，郭　帆，陈维青，程永平，汤俊萍，陈志强，杨　天，王海洋

(西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)



微秒脉冲电压下2MV电容耦合自触发开关设计

李俊娜，郭帆，陈维青，程永平，汤俊萍，陈志强，杨天，王海洋

(西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

摘要：提出了一种可用于微秒脉冲电压下的2 MV电容耦合自触发开关模式，该开关具有结构简单、高可靠性等特点。通过电场分布计算及电路计算得到开关关键绝缘参数和电路参数。计算结果表明,设计触发间隙电压为主间隙电压的1.21%，该开关主间隙场不均匀系数为1.64，开关在0.7 MPa的SF6气体中工作电压为2.27 MV。

关键词：脉冲气体开关；自触发开关；电场分布；电容耦合；脉冲功率技术

开关在脉冲功率技术领域中占有重要地位[1]，根据耐受电压的不同分为直流开关和脉冲开关[2]。20世纪90年代，美国MPI公司成功研制2.6MV三级串联紫外预电离开关[3]，实现了自触发开关在兆伏级电压下的应用。通过自主研发，我国掌握了多级串联自触发开关的关键技术[4-5]。在百纳秒脉冲电压下，采用电阻分压模式的3MV自触发开关作为中储开关已经成功应用于高功率设备中[6-7]。在应用中发现多级串联电阻分压的自触发开关外围电阻数量较多，不利于开关安装和整体运输，且微秒脉冲下电阻的热容量不足可能导致热损坏。未来新型高功率设备的需求是自触发开关作为中储开关需承受微秒脉冲，且要求在长途运输中具有较高的可靠性。本文提出了一种适用于整体安装、运输的2MV单级自触发开关，拟采用电容分压方式从主脉冲获得自触发脉冲降低开关击穿抖动。开关电路参数、触发间隙和主间隙结构配合是影响击穿分散性的关键因素。通过整体结构设计和电路设计验证了该开关的可行性，得到了开关配合参数和关键件绝缘参数。

1开关设计思路

2MV脉冲开关应用于高功率脉冲源的一级压缩回路中，承受脉冲电压。该开关设计中，需通过电容分压从主脉冲得到几十千伏量级的触发脉冲，使得开关中位于阴极表面的触发间隙先击穿。触发间隙击穿产生的光子照射阴极表面，产生自由电子并汇合击穿通道中的自由电子，在主间隙电场加速向阳极发展，导致开关主间隙击穿。击穿过程中，通过光电效应和电子直接注入两种方式，触发间隙减小主间隙击穿过程中的统计时延[8-9]，降低开关击穿抖动[10]。

与传统外触发开关或者之前设计的电阻分压型自触发开关相比，电容分压型开关具有以下优点：1)开关采用自触发方式，无需外部触发器，并对前级储能单元无严格的同步要求；2)充分利用一级脉冲压缩单元的集总电容作为分压电路高压臂，无需繁复的电阻串联，从而避免了电阻绝缘、机械及运输过程中的损坏问题；3)开关可采用一级触发模式，避免了由于多级串联造成的击穿分散性问题。

2开关结构及击穿电压校核

2.1开关结构

为了得到较高击穿电压和沿面绝缘利用率，开关内外均采用SF6气体为绝缘介质，剖面结构如图1所示。开关由开关主间隙和触发间隙组成，预电离电极嵌于开关阴极中部。开关内部气压不大于0.8MPa，开关外部气压为0.5MPa。

开关主间隙采用均匀场结构，工作气压设计为0.1～0.7MPa。主电极材料采用不锈钢，主间隙为场不均匀系数较小但距离较大的稍不均匀电场结构，电极表面光滑处理。自触发间隙由触发电极和开关阴极组成，二者采用支撑绝缘子电气隔离，间隙拟采用稍不均匀电场结构。开关主间隙支撑绝缘子采用有机玻璃筒，金属件与绝缘子相接处设计台阶结构屏蔽三结合点处电场，改善绝缘子沿面电场分布。通过尼龙拉杆穿过电极盘紧固电极盘和绝缘子。

图1电容耦合自触发开关示意图Fig.1Sketch of a 2 MV capacitance coupling self-triggered switch

2.2击穿电压估算公式

与纳秒脉冲电压条件下不同[10]，在微秒脉冲电压作用下开关的击穿电压与直流电压下类似，文献[11]给出了SF6气体中均匀电场的击穿电压判定公式：

Ub=885pd+0.5

(1)

考虑到稍不均匀电场中场不均匀系数的影响，该公式可修正为

Ub=885pdh/f

(2)

在SF6气体中闪络概率约为0.3%时，允许的绝缘体沿面最大电场强度为[12]

Ei/p<250

(3)

式中，Ub为开关间隙击穿电压，kV；p为SF6气压，MPa；d为间隙距离，cm；f为间隙的场不均匀系数；Ei为绝缘体沿面最大电场强度，kV·cm-1；h为曲率系数，在气压下电极曲率半径比较大时可以取1。

2.3开关静电场分布及击穿电压估算

开关主间隙加载2MV电压，得到开关主间隙静电场分布计算结果，如图2所示。开关电场强度最大值出现在电极尖端545kV·cm-1处，开关平均电场强度为333.3kV·cm-1，开关电场不均匀系数f=Emax/Eave=1.64。开关支撑绝缘子外沿面最大电场强度为121kV·cm-1，内沿面最大电场强度为167kV·cm-1。

根据式(2)，估算开关击穿电压，当p取0.7MPa时，开关击穿电压为2.27MV，满足开关工作电压2MV的要求。开关外部气压取0.5MPa，内部气压取0.7MPa时，在开关外部和内部绝缘子沿面单位气压下，最大电场强度分别为242和238kV·cm-1，均小于SF6气体中，闪络概率约为0.3%的电场强度阈值。

触发间隙加载电压为25kV时，得到触发间隙静电场分布结果，如图3所示。间隙电场强度最大值出现在电极尖端727.4kV·cm-1，开关平均电场强度为500kV·cm-1，开关电场不均匀系数f=Emax/Eave=1.45。前期实验中发现，当p取0.7MPa时，触发间隙击穿电压约21kV。如果脉冲峰值取25kV，间隙会在脉冲的前沿位置击穿。

从图2与图3可以看出，由于触发间隙电场更强，在脉冲电压作用下，应早于开关主间隙先击穿，随后可触发主间隙。从电场分布计算结果[7]可以看出，开关主间隙与触发间隙均为稍不均匀电场结构，场不均匀系数比较接近，有利于开关在全工作范围内达到击穿和触发配合，拓展开关工作范围。

3开关电路设计

图4给出了变压器作为初级储能模块的自触发开关等效电路。其中， Ct为开关触发间隙电容(图1中为耦合电容)，取40nF；C2为开关高压臂对地等效电容，为设备一级压缩模块电容，取值为500pF；Cs为开关主间隙等效电容，计算值为12.6pF；R5为主间隙击穿前等效电阻； R4为开关末端测量电阻高压臂电阻，取值为2kΩ；C3为二级压缩模块电容，取值为150pF；L3为二级压缩模块充电电感，取值为3μH；其他参数为变压器相关参数。

图2开关主间隙电场分布 图3触发间隙电场分布

Fig.2DistributionofelectricfieldFig.3Distributionofelectricfieldstrengthatthemaingapstrengthatthetriggeringgap

图4自触发开关等效电路示意图Fig.4Equivalent circuit of the self-triggered switch

通过电路软件模拟，变压器输出电压为2.3MV时，开关主间隙与触发间隙上的电压波形，如图5所示。此时，触发间隙电压峰值约为28kV，大于触发间隙在0.7MPa气压下的击穿电压21kV，触发间隙电压设计为主间隙电压的1.21%，满足触发间隙在主电极脉冲电压前沿击穿的要求。

(a)The voltage waveform of the main gap

(b)The voltage waveform of the triggering gap

4击穿过程分析

开关采用阴极自触发工作模式，击穿过程与从开关中部注入光子的预电离开关不同。首先，二者击穿起始阶段机制有较大差别。前期工作已经验证，预电离开关触发位置在开关中部，触发盘屏蔽作用使触发间隙放电等离子体中的电子得不到开关主电场加速，主间隙击穿起始自由电子主要由光子在阴极上的光电效应产生[7]。本文设计的开关采用阴极自触发工作模式，触发间隙击穿产生的等离子体置于主间隙电场中，参与主间隙击穿过程，其效果与触发结构布置、电子能量、气体种类等因素有关。其次，二者脉冲时间尺度不同造成在形成时延阶段的过程有差异。微秒脉冲击穿过程中，开关主间隙承受的脉冲电场的dE/dt比百纳秒的预电离开关低1个数量级，其电场强度绝对值相对较低，在其他条件相同的情况下，微秒脉冲作用下间隙形成时延更长，减小开关击穿抖动更困难。

鉴于以上击穿过程分析，从阴极引入触发脉冲电压的开关击穿过程可通过分幅相机、光谱仪和光电倍增管相结合的方法开展研究工作。

5结论

设计了一种微秒脉冲下的2MV电容耦合自触发开关，开关主间隙采用稍不均匀场设计，场不均匀系数f=1.64，根据之前实验得到估算公式，开关最高工作电压为2.27MV(气压为0.7MPa)。有机玻璃筒沿面最大电场强度小于SF6气体中闪络概率约为0.3%的电场阈值；设计触发间隙电压为主间隙电压的1.21%，在开关工作电压为2.27MV时，触发间隙击穿电压约为21kV，满足触发间隙在脉冲电压前沿的击穿设计要求。下一步将研究开关的击穿特性。

参考文献

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[3]GILMANC,LAMSK,NAFFJT,etal.DesignandperformanceoftheFEMP-2000:afastrisetime, 2MVEMPpulser[C]//IEEE12thInternationalPulsedPowerConference, 1999: 1 437-1 440.

[4]李俊娜， 邱爱慈， 蒯斌， 等. 自耦式紫外预电离开关特性[J]. 强激光与粒子束， 2008， 20(6): 994-998. (LIJun-na,QIUAi-ci,KUAIBin,etal.Characteristicsofcapacitance-resistancecoupingUVilluminationswitch[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2008， 20(6): 994-998.)

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[7]LIJN,CHENWQ,CHENZQ,etal.Influencesofelectricfieldonthejitterofultraviolet-illuminatedswitchunderpulsedvoltages[J].PhysPlasmas, 2014, 21(3), 033509.

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收稿日期：2016-03-29；修回日期：2016-05-13 基金项目：强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室专项经费资助项目(SKLIPR1205)

作者简介：李俊娜(1981- )，女，陕西大荔人，助理研究员，博士，主要从事脉冲功率技术研究。 E-mail：lijunna@nint.ac.cn

中图分类号：TM836

文献标志码：A

文章编号：2095-6223(2016)020403(4)

Designofa2MVCapacitanceCouplingSelf-Triggered

SwitchUnderMicrosecondPulse

LIJun-na,GUOFan,CHENWei-qing,CHENGYong-ping,TANGJun-ping,CHENZhi-qiang,YANGTian,WANGHai-yang

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China；StateKeyLaboratoryofIntensePulsedRadiationSimulationandEffect,Xi’an710024,China)

Abstract:In this paper, a 2 MV self-triggered switch with capacitance coupling circuit is presented under the microsecond pulse. The switch has a simple structure and a high reliability. Based on the electric field strength and circuit simulation, some key configurations and circuit parameters are obtained. The calculation results show that the voltage of designed triggered gap accounts for 1.21% of the main gap, and the nonuniform factor of the main gap is 1.64, the breakdown voltage of the self-triggered gap is about 21 kV when the maximum working voltage of the switch is 2.27 MV at the air pressure of 0.7 MPa.

Key words：pulsed gas switch；self-triggered switch；field distribution; capacitance coupling；pulsed power technology