陡化开关动作特性及其对纳秒脉冲源输出的影响

王 雨,李 舟,王彦懿

(1. 国家电网陕西省电力有限公司 西安供电公司,西安 710032;2. 西安交通大学 电气工程学院,西安 710049)

脉冲变压器型脉冲源结构相对简单,能输出幅值较高的脉冲电压,且稳定可靠、经济性好,在脉冲功率技术、高电压试验技术、生物电工及材料特性等方面研究中得到了广泛应用[1-10]。这种脉冲源一般由充电回路、脉冲形成回路、陡化回路及控制回路4部分组成。当储能电容经充电回路完成充电后,通过控制回路使前级主控开关导通,电容器向脉冲变压器原边绕组放电,进而在副边产生微秒量级前沿的脉冲高压。在陡化回路中,当脉冲高压达到陡化开关击穿电压时,陡化开关导通并使峰化电容经同轴电缆向负载放电,最终在负载上形成高幅值、陡前沿的脉冲。

国内外一些学者对脉冲变压器型脉冲源及其波形陡化进行了研究,如美国NIF装置中采用脉冲变压器型脉冲源为能源模块ST-300提供幅值为100 kV,前沿(10%～90%)为30 ns的触发脉冲[11-12]。刘洋等[13-14]对脉冲变压器脉冲陡化开关参数进行了统计分析,证明通过优化工作极性和工作电场等参数可有效提高开关在峰值击穿的概率。李登云等[15]在100 kV触发器输出电压的陡化中,研究了气体种类和间隙距离对触发器输出特性的影响,发现陡化开关绝缘介质为N2时的脉冲前沿比SF6更快,且在平板电极下,脉冲上升时间随开关间隙距离减小而减小。有研究者认为提高开关间隙电场的不均匀度有利于在脉冲峰值处产生强场发射,进而降低间隙击穿的统计时延,有益于脉冲波形的陡化。如采用曲率半径较小的尖电极,或在球头电极表面切割形成槽口等方式[16-17]。孙铁平等[18]发现进行紫外光辐照能有效降低开关统计时延,减小气体开关的抖动。上述研究获得了很有指导价值的结果,但脉冲变压器副边输出脉冲较缓,受制于陡化开关动作特性及稳定性影响的问题仍然存在,如何为脉冲变压器型脉冲源提供经济、可靠和稳定的波形陡化仍是脉冲功率技术的重要问题。

因此,本文针对120 kV脉冲变压器输出电压的陡化问题,设计了两电极陡化开关,并通过实验研究了电极形状、间隙距离和气压对陡化开关的动作特性及脉冲源输出参数的影响。

1 脉冲源与陡化开关设计

1.1 脉冲变压器型脉冲源结构

图1为脉冲变压器型脉冲源原理图。

图1 脉冲变压器型脉冲源原理图Fig.1 Schematic of transformer-type pulse voltage source

工频变压器T1输出的交流高压经整流后通过2 MΩ的限流电阻向电容C1充电,充电完成后,电容C1通过控制开关S1向脉冲变压器T2原边绕组放电,在副边峰化电容C2上得到一个高幅值、缓前沿的脉冲信号,当脉冲电压幅值高于陡化开关S2的自击穿电压时,陡化开关击穿,峰化电容经同轴电缆C3向负载CLoad放电,得到高幅值、快前沿的脉冲电压。其中,电容C1为200 nF的低电感电容器,充电电压为11 kV,控制开关S1由外施信号控制导通,脉冲变压器理论变比为1∶10,峰化电容C2为2 nF,由3个6 nF的高压陶瓷电容串联构成,同轴电缆波阻抗为50 Ω,长度为10 m,当用作开关触发源的时候,CLoad为被触发开关的间隙电容,负载上的脉冲电压通过阻值为1 kΩ的电阻分压器测量,分压比为104∶1,响应时间为3 ns。陡化前脉冲变压器的输出电压波形如图2所示。由图2可见脉冲前沿约为1.5 μs。

图2 陡化前脉冲变压器的输出电压波形Fig.2 Output voltage waveform of pulse transformer before peaking

1.2 陡化开关结构设计

根据巴申定律,气隙击穿电压与间隙距离和气压的乘积pd存在一定的函数关系,即Ub=f(pd)。气压较小时,气体稀薄,电子平均自由程很大,由于碰撞次数减少使击穿电压升高;气压很大时,气体密度很大,击穿电压也会升高,所以随着pd的变化,击穿电压会出现极小值。对于陡化开关的电极设计,考虑击穿电压幅值的同时也应关注击穿稳定性。

当10-3atm·cm≤pd≤50 atm·cm时(1 atm=1.01×105Pa),空气间隙的击穿电场强度可表示为

(1)

如由于电极结构改变导致间隙电场不均匀时,式(1)变为

(2)

其中:β为电场不均匀因子,是间隙距离与电极半径r的比;当电极为球状时,deff=0.115r,当电极为圆柱状时,deff=0.23r。陡化开关总体外形尺寸确定是最大外径为150 mm,高度为110 mm后,为研究不同电极结构对间隙电场分布和动作特性的影响,分别设置了球-球电极、球孔-球孔电极及尖-球电极结构。其中,球电极直径为16 mm,球孔电极是在相同尺寸的球电极中心处开一个直径为4 mm,深为3 mm的圆形凹槽,尖电极最小半径为0.25 mm。通过Ansoft对3种电极结构下的电场不均匀系数进行仿真,陡化开关电场仿真结果如图3所示。

(a) Sphere-sphere electrode

(b) Sphere hole-sphere hole electrode

(c) Needle (cathode)-sphere electrode图3 陡化开关电场仿真结果Fig.3 Electric field simulation results of peaking switch

当电极间距为5 mm时,仿真结果表明,球-球电极和球孔-球孔电极电场不均匀系数分别为1.19和1.58,属于稍不均匀场;尖-球电极电场不均匀系数为7.57,属于极不均匀场。当间距从3 mm增加到20 mm时,电场不均匀系数虽有变化,但前两者仍处于稍不均匀电场范围,尖-球电极仍为极不均匀电场类型。在进行实验研究时,通过调整地电极导杆的位置,使得间隙距离在3～20 mm之间可调,开关腔体内的绝缘介质为N2。通过调整电极结构、间隙距离和气压等参数,可研究陡化开关击穿的电压分布规律。

2 实验结果及分析

2.1 电极结构对陡化开关击穿特性和脉冲输出的影响

开关电极选取球-球、球孔-球孔和尖-球3种结构,开关间隙距离固定为5 mm,通过改变气压使开关在峰值处击穿,每种条件下实验20次,陡化开关动作电压分布如图4所示。

(a) Sphere-sphere electrode

(b) Sphere hole-sphere hole electrode

(d) Needle (cathode)-sphere electrode图4 陡化开关动作电压分布Fig.4 The breakdown voltage distribution of peaking switch

由图4可见,球孔-球孔电极的开关电压与球-球电极相近,略低于尖(阴)-球时的动作电压;球孔-球孔电极下开关击穿稳定性较球-球电极下有所改善,尖(阴)-球电极下开关击穿稳定性最好,说明阴极电场的局部增强有利于开关动作在峰值处附近,加强脉冲气体开关的击穿稳定性,原因可能是尖端部电场较为集中,可缩短开关击穿过程中的统计时延[6-7],提升电晕起始电压,电晕产生的空间电荷对尖端电极有很好的屏蔽作用,有利于加强击穿稳定性;当电极为尖(阳)-球时,尽管开关工作在较高气压下,动作电压也较低且抖动远大于其他三者,其原因可能是尖-球电极间为极不均匀场,放电存在极性效应,由于空间电荷的作用,尖(阳)-球电极结构 “难电晕,易击穿”,使陡化开关击穿电压较低,抖动较大,而尖(阴)-球电极结构“易电晕,难击穿”,使陡化开关击穿电压较高,减小了放电时延中的统计时延,因此开关击穿稳定性高,抖动小。

开关击穿后(击穿电压为Um),峰化电容经同轴电缆向高阻负载放电,理论上行波的折反射过程将在高阻负载上产生幅值为2Um的脉冲电压,因此,陡化开关动作电压及抖动与脉冲源输出电压幅值及抖动的变化规律基本趋于一致;图5为电极形状对触发器输出脉冲幅值及前沿的影响。

图5 电极形状对触发器输出脉冲幅值及前沿的影响Fig.5 Influence of configuration of electrode onmagnitude and rise time of output pulse

由图5可见,几种电极结构的脉冲前沿几乎相同,原因可能是此时开关间隙距离较小,火花通道电感成为脉冲前沿的主要影响因素,因此脉冲前沿变化不大。因此,应优先选取尖(阴)-球作为陡化开关的主电极。

2.2 间隙距离和气压对陡化开关击穿特性和脉冲输出的影响

当施加在陡化开关的脉冲电压前沿及开关电极结构一定时,开关击穿电压只与间隙距离d和气压p的乘积有关。固定尖(阴)-球的电极结构,改变开关间隙距离,通过调节气压使开关在峰值处击穿,每种条件下实验20次,图6为不同pd值组合下陡化开关动作电压分布。

(a) 3 mm, 8.5 atm

(b) 5 mm, 6.8 atm

(c) 7 mm, 5.4 atm

(d) 10 mm, 3.7 atm

(e) 14 mm, 2.5 atm

(f) 20 mm, 1.5 atm图6 不同pd值组合下陡化开关动作电压分布Fig.6 The breakdown voltage distribution of peakingswitch with different pd

由图6可见,开关自击穿电压一定时,间隙距离越小,击穿时所需的气压越高。随着间隙距离的减小和气压的升高,陡化开关动作电压逐渐升高。当d=3 mm时,开关动作电压抖动最小,但动作电压偏低,继续提高气压对动作电压提升并不明显,不利于开关的稳定运行;当d=5 mm或7 mm时,开关动作电压较高且抖动较小;当d继续增大时,开关动作电压大幅度降低且抖动急剧增加。

图7为不同间隙距离及气压下触发器输出电压幅值及前沿。

图7 不同间隙距离及气压下触发器输出电压幅值及前沿Fig.7 Magnitude and rise time of output pulse with various gap lengths and gas pressures

由图7可见,随着间隙距离的增大和气压的减小,脉冲源输出脉冲幅值逐渐减小且抖动变大,当d大于10 mm时,输出幅值明显降低、抖动急剧增大,尤其在d为20 mm时,脉冲源输出电压前沿也有较大抖动。说明间隙距离较长时,脉冲气体开关击穿稳定性变差,通过改变气压的方式很难使其在峰值处击穿,脉冲源输出电压幅值较低且抖动较大;脉冲源输出脉冲的前沿随间隙距离增大而逐渐变大,表明尽管气压升高使开关火花通道电阻变大可加快脉冲前沿,但短间隙下影响前沿的主要因素是火花通道的电感,间隙距离变长,火花通道电感变大,导致前沿变慢。综合考虑脉冲源输出脉冲的幅值、抖动、前沿及陡化开关运行的稳定性,最终选取开关工作在d=7 mm,p=5.4 atm的条件下。

由上述实验结果中击穿电压的数据可推算出击穿电场强度E,根据式(2)中参数进行计算,得到不同间隙距离d下的deff,通过数值拟合发现两者之间存在一定的联系,尖-球电极下deff与间隙距离d满足的函数关系可表示为

(3)

当p=2.5 atm,d=1.4 cm时,deff为0.088,代入式(2)得到击穿电场强度E为69.84 kV·cm-1,相对应的击穿电压为95.3 kV,当p= 5.4 atm,d=0.7 cm时,deff为0.009 75,代入式(2)得到击穿电场强度E为153.97 kV·cm-1,相对应的击穿电压为111.8 kV,与实验结果符合,说明式(2)可适用于尖-球电极。

经过上述的实验结果分析,最终确定峰化电容为2 nF,陡化开关主电极为尖(阴)-球电极结构,间隙距离为7 mm,工作气压为5.4 atm。20次输出脉冲电压波形叠加如图8所示。由图8可见,脉冲源输出电压幅值约为120 kV,电压幅值偏差约为2.7 kV,前沿约为17 ns,脉冲宽度约为178 ns。

图8 20次输出脉冲电压波形叠加Fig.8 Output pulse voltage waveforms of 20 shots laid together

3 结论

设计了一种用于脉冲变压器型脉冲源输出波形陡化的气体开关,研究了3种不同电极结构、间隙距离和气压对陡化开关峰值击穿稳定性和脉冲源输出特性的影响,并提出尖-球电极击穿电压的修正公式。实验结果表明,陡化开关采用尖-球电极结构形式及高气压短间隙的工作条件更有利于在峰值处击穿,并且可显著提升击穿稳定性。当采用尖(阴)-球电极结构,间隙距离为7 mm,工作气压为5.4 atm,脉冲源输出脉冲幅值为120 kV,脉冲电压幅值偏差约为2.3%,前沿约为17 ns,可用于高功率气体开关的触发和其他高电压试验的脉冲电源。