基于高频振荡回路的激光触发真空开关开断特性

赵 岩 段雄英 廖敏夫 蒋西平 郑春阳

(大连理工大学电气工程学院 大连 116024)



基于高频振荡回路的激光触发真空开关开断特性

赵 岩 段雄英 廖敏夫 蒋西平 郑春阳

(大连理工大学电气工程学院 大连 116024)

真空触发开关(TVS)是脉冲功率技术的重要开关器件，随着脉冲功率系统向更高工作频率的方向发展，要求TVS具有在高频回路中稳定工作的能力，因此采用LC高频振荡回路对一种新型激光触发真空开关(LTVS)进行实验研究，考察振荡回路频率、间隙电压以及初始等离子体浓度等因素对LTVS的开断特性的影响。实验结果表明，振荡回路频率增加和间隙电压升高将导致电流峰值及电流过零点变化率升高，电路未成功开断或者发生重击穿概率增加；重击穿时间间隔随间隙电压和回路频率升高而缩短；LTVS未成功开断或者发生重击穿概率与初始等离子体浓度无关。实验结果对于改善LTVS在高频回路中的稳定工作能力具有参考价值。

激光触发 真空开关 高频振荡 脉冲功率

0 引言

近年来，随着脉冲功率技术的成熟与发展，其应用领域也不断扩展，在一些特殊领域如电磁炮、电磁成型等，要求脉冲功率系统工作于较高频率[1，2]。真空触发开关(Triggered Vacuum Switch，TVS)作为脉冲功率技术中重要的开关器件，为了适应脉冲功率技术新的发展，对TVS导通时延、触发精度、通流能力以及高频振荡回路中工作性能提出了更高的要求。传统形式的TVS采用电触发的方式产生初始等离子体，但无论是沿面型电触发TVS还是场击穿型电触发TVS都存在各自的缺点。沿面型电触发TVS导通时延短，触发精度高，但电弧燃烧后金属蒸气等物质覆盖于触发极表面，严重制约了其使用寿命[3-6]。场击穿型TVS虽然使用寿命得到较大提升，但导通时延长达几百ms且触发精度差[7，8]。激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)是一种新型TVS，采用激光与靶极材料作用产生初始等离子体，并利用真空作为绝缘介质和灭弧介质，具有极高的绝缘水平和弧后介质恢复能力，能够在较高频率下重复导通与关断高压大电流[9-12]。同时，与传统形式的TVS相比，LTVS具有导通时延短、触发精度高、使用寿命长并且触发装置与电极间没有机械接触，误触发概率低等优点[13-15]。

国内外学者针对LTVS的研究主要集中于缩短导通时延及提高控制精度，在高频振荡回路中工作特性的研究很少。本文采用LTVS作为开关器件，对高频振荡回路中LTVS的工作特性进行研究，讨论振荡电路频率、间隙电压以及初始等离子体浓度等因素对LTVS开断性能的影响。

1 实验系统

1.1 LTVS基本结构

实验中所设计的LTVS整体结构及其刨面图如图1所示。陶瓷绝缘外壳焊接于真空腔体法兰中心，与真空腔体外壳共同起到支撑和保证灭弧室真空度作用。阳极导电杆和阳极触头中心有一直径2 mm的通孔作为激光通道，并用石英玻璃覆盖，保证灭弧室内真空度。触头采用平板型触头，触头材料选用耐烧蚀的CuCr50合金，阳极触头和阴极触头的直径为40 mm。阴极触头中心有一个直径3 mm、深2 mm的凹槽，凹槽内放置TiH2作为靶极材料。

图1 LTVS基本结构Fig.1 The base structure of LTVS

1.2 激光触发系统和LC振荡回路

LTVS的触发系统如图2所示。所使用激光器波长为1 064 nm，脉冲宽度9 ns，单次脉冲能量10～150 mJ可调。分束器将激光器所发出激光按照1∶9的比例分成两束激光，一束经过全反镜反射并由聚焦镜聚焦于LTVS触发材料上，另一束低能量激光入射激光二极管，激光二极管将激光信号转换成电压信号，并由示波器记录器电压波形可得到激光到达靶极时刻。

图2 激光触发系统Fig.2 Laser triggered system

LC振荡电路如图3所示。组合电容器C0和电感L0组成LC震荡电路。实验中通过改变电感值来改变主回路振荡频率。组合电容器C0为8.7 mF，改变电感L0的值使回路对应的振荡频率分别为4 kHz、8 kHz、12 kHz和15 kHz。抽真空系统由油扩散泵和机械泵构成，为了维持灭弧室内真空度，扩散泵与机械泵同时工作，可以将灭弧室内真空度保持在10-4Pa。LTVS的电压、电流波形采用分压器和分流器与示波器配合测量。

图3 LC振荡电路Fig.3 LC oscillation circuit

2 实验方法与结果

实验中，采用升压变压器经整流硅堆和限流电阻对主回路电容C0充电。当电容两端电压达到所需值，切断充电回路，启动触发系统并记录LTVS两端电压、电流变化情况。

为了保证数据准确性，每一组实验进行20次。实验中发现.部分情况下，LTVS导通后可在半个周期电流过零时刻开断，开断后电容C0两端呈现负压，其典型波形如图4所示。

图4 电流第一次过零点LTVS成功开断波形Fig.4 The success interrupted waveform of LTVS after the first time current pass zero

其中，U1为LTVS的工作电压，U2为激光脉冲电压，由激光二极管将激光信号转换为电压信号所得，I为LTVS工作电流。但随着频率和电压的升高，电流在多次过零后才能成功开断，其典型波形如图5所示。

图5 电流多次过零点后LTVS成功开断波形Fig.5 The success interrupted waveform of LTVS after the current multiple pass zero

在不考虑小电流截流这种特殊情况下，LTVS只能在电流过零时开断，所以可以用高频振荡电路半个周期时间的倍数来表示LTVS的导通时间，即导通时间t=nT/2，其中T为高频振荡电路振荡一个周期所需时间，n表示LTVS成功开断后电流过零点次数。

表1中数据为振荡电路电压为4 kV时，4种不同频率下统计LTVS导通的n值情况。由表1可以看出，当主电路工作电压固定在4 kV，振荡频率为4 kHz时，LTVS有6次在导通半个周期后成功开断，统计20次实验平均需要2.45次电流过零点LTVS可以成功开断。随着频率升高，需要更多的电流过零点次数LTVS才可以成功开断。

表1 不同工作频率下成功开断次数在各n值的分布Tab.1 The number of success interrupted distribution in each of n under different working frequency

表2中数据为振荡电路频率为8 kHz时，4种工作电压下统计LTVS导通的n值情况。由表2可以看出，当主电路振荡频率固定在8 kHz、工作电压为1 kV时，LTVS有14次在导通半个周期后成功开断，统计20次实验平均需要1.50次电流过零点LTVS可成功开断。随着电压升高，需要更多的电流过零点次数LTVS才能开断成功，并且在导通半个周期后成功开断的次数不断下降。

表2 不同间隙电压下LTVS开断次数在各n值的分布Tab.2 The number of success interrupted distribution in each of n under different gap voltage

3 讨论与分析

3.1 振荡回路频率及电压对LTVS开断的影响

从上述实验结果中可以看出，振荡电路频率及电路工作电压对LTVS的开断具有重要影响。表3为工作电压4 kV，不同频率下电流峰值及电流过零点变化率，随着振荡电路频率的升高，电流过零点变化率显著增加，电流被开断后间隙空间中存在的中性金属蒸气粒子消散的速率会直接影响到LTVS的介质恢复速度。而中性金属蒸气离子消散的速率主要受到电流过零点附近电流的变化率(di/dt)、开断电流的幅值等因素的影响。当di/dt和电流峰值增加，弧后电流对弧后间隙游离介质热作用增强，抑制间隙的去游离作用，从而降低了介质恢复速度，导致LTVS开断变得困难。

表3 不同频率下电流峰值及电流过零点变化率Tab.3 Current peak and its rate of change under different working frequency

同样，表4为振荡电路频率8 kHz，不同工作电压下电流峰值及电流过零点变化率，随着电压升高，电流峰值和电流过零点变化率增加，弧后间隙中的等离子体去游离作用受到抑制，介质恢复速度变得缓慢，LTVS的开断同样变得困难，所需电流过零点数目变多。

表4 不同工作电压下电流峰值及电流过零点变化率Tab.4 Current peak and its rate of change under different working voltage

3.2 LTVS重击穿时间变化

实验中取LTVS发生重击穿样本进行考察，典型重击穿波形如图6所示。在经过6个电流过零点后，LTVS仍然没有成功开断。重击穿时间间隔(电流过零点LTVS开断到LTVS再次击穿时间间隔)随主间隙电压和工作频率变化如图7所示，实验数据为各种情况下30次样本的方均根值。

图6 LTVS重击穿波形Fig.6 The restrike waveform of LTVS

随着工作电压和频率的升高，LTVS重击穿时间间隔缩短。这是由于电流峰值和电流过零点变化率增加，间隙中弧后残留的等离子体扩散速度减慢，导致介质恢复困难，LTVS开断后在很短的时间内再次击穿。

图7 重击穿时间间隔Fig.7 The time interval of restrike

3.3 初始等离子体浓度对LTVS开断的影响

电触发真空开关初始等离子体浓度对TVS过零点开断特性几乎没有影响。但由于国内外针对LTVS的研究很少，处于刚刚起步阶段，激光与靶极作用产生初始等离子体的过程还不了解，初始等离子体浓度对LTVS开断的影响还不清楚。因此补充一组实验，通过改变触发激光能量改变初始等离子体浓度，观察LTVS开断特性变化。

实验中选取触发激光能量分别15 mJ、25 mJ、35 mJ和45 mJ，振荡电路频率为8 kHz，工作电压4 kV，分别进行30次导通实验，计算每种触发能量下LTVS成功开断所需要电流过零点数目n的平均值。实验结果表明，4种触发能量(初始等离子体浓度)下，n平均值几乎没有改变，并没有呈现出规律性变化。这是由于LTVS燃弧过程中产生大量等离子体，而初始等离子体的量与其相比很小，介质恢复过程主要受到的是燃弧过程中产生的等离子体影响。由此可见，初始等离子体浓度，对LTVS开断特性没有实质性影响。

4 结论

实验中通过改变LTVS工作回路频率、间隙电压及初始等离子体浓度等因素考察LTVS在高频回路中的开断特性，得出了以下结论：

1)当回路振荡频率及间隙电压较低，LTVS导通半个周期后可以成功开断。随着频率及间隙电压升高，电流峰值和电流过零点变化率增加，弧后电流对弧后间隙游离介质热作用增强，抑制间隙的去游离作用，从而降低了介质恢复速度，导致LTVS开断变得困难，重击穿概率升高。

2)重击穿时间间隔受到弧后介质恢复速率影响，随间隙电压和工作频率升高而缩短。

3)由于LTVS燃弧过程中产生大量等离子体，而初始等离子体的量与其相比很小，因此介质恢复过程主要受到的是燃弧过程中产生的等离子体影响，初始等离子体浓度对LTVS的开断并没有显著的影响。

本文实验结果对于提高LTVS在高频振荡电路中稳定工作的能力具有重要参考意义。

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The Interrupt Characteristics of Laser Triggered Vacuum Switch in Circuits with High Oscillating Frequency

Zhao Yan Duan Xiongying Liao Minfu Jiang Xiping Zheng Chunyang

(School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China)

Triggered vacuum switch (TVS) is one of the important switching devices in pulse power technology.With the progress of pulse power system toward a higher working frequency，TVS should have the ability to work stably in a high frequency circuit.In this paper，an LC high frequency oscillation circuit was adopted to investigate on a new laser triggered vacuum switch (LTVS)，which includes the frequency of oscillation circuit，gap voltage and initial plasma concentration on the interrupt characteristic of LTVS.The experimental results show that the increase of frequency and gap voltage will result in a higher peak current and rate at current zero-crossing，the probability of interrupt fail or restrike increases and the time interval of restrike decreases when peak current and rate at current zero-crossing increase.The initial plasma concentration has no effect on the probability of interrupt fail or restrike.The experimental results will supply a reference for enhance the ability of LTVS to work stably stable in a high frequency circuit.

Laser trigger,vacuum switch,high frequency oscillation,pulse power

国家自然科学基金(51337001，51277020，51477024)和中央高校基本科研业务费专项基金(DUT13YQ102)资助项目。

2015-06-15 改稿日期2015-08-01

TM564

赵 岩 男，1989年生，博士研究生，研究方向为智能电器和脉冲功率技术。

E-mail：zhaoyan1989@mail.dlut.edu.cn

段雄英 女，1974年生，博士研究生，研究方向为高电压绝缘技术和脉冲功率技术。

E-mail：dxy@dlut.edu.cn(通信作者)