低抖动激光触发伪火花开关的研究

伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同气压、工作电压和触发能量下,测试激光触发伪火花开关的阳极着火延迟时间和抖动两项参数。测试结果表明,增加激光能量可以降低开关的延迟和抖动,实现开关稳定性的激光能量阈值在1.5 mJ,可以使得开关的抖动小于1 ns,继续增大触发能量,开关的延迟和抖动不再明显变化;此外,增大管内的氢气压强可降低开关的延迟和抖动;当触发能量足够大时,改变阳极电压,开关的延迟和抖动不随开关电压而改变。

辉光放电触发重频伪火花开关研究

伪火花开关是工作在帕邢曲线左支的低气压开关,具有纳秒级击穿时间、百千安级脉冲电流、工作寿命长等特点。具有高重频性能的伪火花开关民用领域以及军事领域均有广泛的应用需求。基于双脉冲辉光放电触发结构,设计出一种具有重频能力的伪火花开关;在10 kV阳极电压下进行了整管测试,观察不同气压,预、主触发电压对重频性能以及触发性能的影响;结合仿真软件计算不同气压与触发电压下,触发电流的变化,最终总结了两个脉冲对触发过程的影响。测试结果表明,最低仅100 V触发电压,开关重复频率即可从沿面放电触发的100 Hz提升至400 Hz。

新型小体积伪火花开关研制

伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一,具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要,开展新型小体积伪火花开关研制,创新性地将触发针引入空心阴极内部,实现辉光放电电子源注入,该设计减小伪火花开关的体积,并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明,该产品的阳极工作电压范围为0.5~10 kV,最大阳极脉冲电流40 kA;在36 kA脉冲电流情况下,工作2万余次并未发现性能下降;该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。

晶闸管在大功率变流和开关中的应用

描述了利用大功率晶闸管器件和实时控制器实现的30MW有环流变流系统、15kA/2.5kV 大功率双向直流晶闸管开关,该变流系统和开关系统电路结构新颖,已经使用于国家九五重大科学工程 EAST 超导托卡马克装置中,同时给出了实验结果。

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律:采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。

伪火花放电开关的表面放电触发装置研究

设计了以半导体氧化锌和陶瓷为材料的伪火花开关的两种表面放电触发器 ,这两种触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧 ,大量实验 (>10 5次 )表明 ,其可靠性高 ,寿命长 .用它们触发的伪火花开关在放电电压 3 0～ 2kV的范围内具有稳定的放电时延 (陶瓷触发为 5 0～ 3 4 0ns,氧化锌触发为 10 0～ 5 0 0ns)和时延抖动 (陶瓷触发为 15～ 4 0ns,氧化锌触发为 3 0～ 5 0ns) .由于触发电流大 ,因此可在极低的开关电压下触发开关 ,对耐受电压 3 0kV的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可小于 1kV(陶瓷触发为 60 0V ,氧化锌触发为 4 4 0V) .

一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关

介绍了一种新型大电流脉冲调制器件——伪火花开关,它利用介电材料沿面放电进行触发,单间隙导通脉冲大电流。目前这种开关已完成产品化,可以用来调制不低于30kV、50kA的脉冲,电流上升速率高达5×1010 A/s,在负触发电压脉冲作用下,开关的时间跳动小于7ns,寿命高达5×104 C,可直接用于替换氢闸流管以及高气压火花隙。

伪火花开关大电容脉冲放电的测试与研究

本文采用所研制的B\C型伪火花开关,针对10μF与100μF两组不同的脉冲电容器组,分别进行了阻性负载、混合负载及纯短路放电测试。该型号开关可耐受阳极电压48kV,脉冲功率峰值可达3.09GW,单次电荷转移量约5.5C,电流上升速率可达0.99×10^(11) A/s,开关内阻小于0.001Ω,自感约为0.041μH;解决了低电压放电时反向电流截止的问题,具有优秀的短路放电与抗反向电流轰击的能力,对于各种类型负载均能很好的适配与稳定的工作,是一种较理想的高功率短路转换开关器件。

一种新型的氢闸流管HY3202触发系统的研制

氢闸流管的导通速度与触发信号有关 ,常用触发电路中使用快速晶闸管 ,触发信号并不是很理想。在研制硫双原子分子激光器脉冲电源时 ,采用了开通速度更快的功率 MOSFET替代了快速晶闸管。实验证明 ,该触发系统可以明显改善 HY32 0 2的导通特性。

辉光放电触发赝火花开关的时延及抖动特性

设计了一种辉光放电触发赝火花开关,对其时延和抖动特性进行系统研究。研究了开关时延、抖动与辉光放电电流、气压、触发电压及阳极电压的关系。当辉光放电电流小于0.30 mA时,开关无法触发导通;当电流为0.35～0.60 mA时,随辉光放电电流的增大,开关时延、抖动减小;当辉光放电电流为0.60 mA时,开关时延、抖动基本不变,出现饱和。当氦气气压低于6 Pa,开关难以触通,与理论计算值6.95 Pa吻合;当氦气气压为6～12 Pa时,开关的时延、抖动随气压的升高而减小;气压为12～30 Pa时,开关工作在比较稳定的状态。当触发电压小于3 kV,开关难以触通;随着触发电压的增大,开关时延、抖动减小;当触发电压大于5.3kV,开关时延、抖动基本保持不变。开关在稳定工作条件下,阳极电压在8～25 kV范围内变化时;开关时延基本不变。

环槽电极结构的伪火花开关耐压特性

设计了一种具有环槽电极结构的新型伪火花开关，进行了空气介质下的耐压特性实验，并与传统的同轴多通道结构的伪火花开关耐压特性进行了对比。给出了伪火花开关工作的气压范围（1～100Pa）和两种伪火花开关的最大耐压。实验结果显示，新型环槽结构伪火花开关最大耐压达到41V，而传统同轴多通道开关的最大高耐压只有28．4kV，新设计开关的最大耐压和耐压稳定性都明显高于同轴多通道开关。

伪火花放电开关的半导体氧化锌表面放电触发装置研究

准确可靠的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关电极的结构设计 ,而且对开关的工作电压范围 ,频率和寿命有很大影响。本文首次采用半导体氧化锌 (ZnO)为材料 ,设计了伪火花开关的表面放电触发器 ,该触发器体积小 ,结构简单 ,可焙烧 ,大量实验 (>1 0 5次 )表明 ,其可靠性高 ,寿命长 ,用它触发的伪火花开关 (放电电压 30～ 2kV)具有稳定的放电时延 (80～ 4 0 0ns)和时延抖动 (2 0～ 5 0ns) ,由于触发电流大 ,因而可以在极低的开关电压下触发开关 ,对着火电压 30kV的伪火花开关 ,其最低可触发开关电压可至 4 40V。

赝火花开关放电的蒙特卡罗粒子模拟

采用粒子模拟和蒙特卡罗相结合的方法,应用静电求解模型,对赝火花开关初始放电过程进行了模拟。赝火花开关初始放电过程主要由汤森放电过程、等离子体形成、空心阴极效应和场致发射引发主放电组成;等离子体形成和空心阴极效应对赝火花开关的发展导通具有至关重要的作用。改变赝火花开关工作参数,如气压、电极孔径、阳极电压和阴极腔中初始粒子密度,研究其对赝火花开关电子峰值电流形成时间的影响。结果表明:随着气压、电极孔径、阳极电压和初始粒子密度的增大,赝火花开关电子峰值电流形成时间减小。

辉光放电触发双级赝火花开关

设计了一种辉光放电触发双级赝火花开关,主要是阴阳电极、中间栅极和辉光放电腔的设计。通过增加中间栅极,构成双级结构,选用平板形结构,板厚1.5mm,栅极孔尺寸1mm,三个栅孔均匀分布在直径5mm的圆环上。辉光放电腔设计工作区域为Paschen曲线最低点左侧,具有放电电流大、触发电压低等特点。实验表明:双级赝火花开关需采用RC外均压电路,使阳极电压在两间隙中均匀分配。在充电1～57kV条件下,开关均能可靠触发导通。当阳极充电57kV时,在50Ω负载上获得了约56kV、抖动1.4ns的输出。

辉光放电触发赝火花开关实验研究

设计了一种辉光放电触发赝火花开关,进行了He气介质下的放电实验研究。测得了耐受电压和气压关系,结果表明:随着气压的升高,开关耐受电压减小;开关电极孔径为3mm、电极间距为4mm时的耐受电压约是电极孔径和电极间距均为3mm时的85%。在电极孔径和电极间距均为3mm时,研究了辉光放电电流、气压、触发电压等参数对开关时延、抖动的影响。结果显示:当辉光放电电流大于0.45mA、气压为7～30Pa、触发电压达到一定值,开关就能比较稳定地触发,时延短、抖动小。在辉光放电触发下,实现了开关耐受30.5kV、时延223.2ns的输出,并实现了开关抖动小于1ns的稳定输出。

激光触发伪火花开关的研究

通过等离子体建模仿真及物理实验结合的方式验证了激光触发伪火花开关的可行性。分别使用波长266 nm和532 nm的激光,对激光触发伪火花开关的最低激光触发能量、阳极着火延迟时间和时间跳动三项参数进行测试。在非聚焦模式下,仅调整激光能量,测得开关在波长266 nm激光触发下,最低触发能量为15 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为340 ns,时间跳动约为40 ns;在波长532 nm激光触发下,最低触发能量为83 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为420 ns,时间跳动约为60 ns。在维持实验平台不变的情况下,仅对入射激光进行聚焦,测得波长266 nm激光触发下,最低触发能量为4 mJ,当触发能量8 mJ时,阳极着火延迟时间190 ns,开关时间跳动小于1 ns;波长532 nm激光触发下,最低触发能量为6 mJ,当激光触发能量为8 mJ时,阳极着火延迟时间240 ns,开关时间跳动小于1 ns。

基于ARM的均衡充电控制系统

全电战车要求在作战中具有反应迅速、高灵活性的特点。基于全电战车要求提出了对全电战车进行电池更换的快速配电方案。充电锂电池均衡充电模块化的设计使快速换电成为可能。反激式变换器均衡充电适合模块化设计,因此提出了基于ARM对反激式变换器均衡充电的控制。并且采用了外部充电电源进行均衡充电的策略,这种均衡策略利于模块化设计,符合快速换电的需求。在均衡充电过程中,通过采集充电电流和电池电压,利用安时法计算出电池的荷电状态(SOC),来调节驱动脉冲波形PWM的占空比,从而实现变速均衡充电。研究表明该方法可以更好的实现对锂电池的均衡充电和保护控制。

基于表面闪络放电的伪火花开关触发特性的研究

采用不同介电常数的绝缘材料,设计了基于表面闪络放电的触发型伪火花开关,通过实验发现,两种相对介电常数较高的材料（介电常数分别为1162和3 460）制作的沿面闪络触发器,具有结构简单、体积小、触发特性稳定等特点,用它们制作的触发型伪火花开关,放电电压在2-30 kV范围内,触发型伪火花开关的放电时延和时延抖动分别为81-39 ns、25-8 ns和77-35 ns、21-6 ns.对于耐受电压30 kV的伪火花开关,其最低可靠工作电压可分别低至134 V和128 V,相应的动态工作电压范围分别为0.48%-99%和0.46%-99%.

多通道伪火花放电开关及其半导体表面放电触发器研究

本文设计了典型参数下的同轴式三通道伪火花放电开关及其氧化锌表面放电触发器,进行了空气介质下的放电实验研究,测量了开关的放电曲线,给出了产生伪火花放电的气压范围,计算了开关的放电电流上升陡度,并与相同尺寸下的单通道伪火花开关进行了比较,试验结果表明,采用多通道结构后,开关的长期通流能力由单通道的40kA提高到120kA,电路的电流上升陡度也有很大提高(15%～20%),而电极烧损则大大降低。同时首次采用氧化锌半导体设计了开关的表面放电触发器。实验表明,对耐受电压37kV的伪火花开关,在气压不变的条件下,开关的可触发开关电压可低至440V;在30～2kV的放电电压下,放电电流的时延及其抖动分别为(100～500ns)和(20～50ns)。

面向脉冲功率技术需求的伪火花开关技术

伪火花开关是脉冲功率技术领域的关键器件之一,兼具高功率、长寿命、高重频、低抖动等优点,被认为是可以取代高气压火花开关与闸流管的理想开关器件。本文针对大型原子能试验辐射模拟装置与Z箍缩驱动聚变能源装置的应用需求,对伪火花开关的器件性能和技术发展进行分析和述评。