高功率开关

    高功率开关是指利用工作介质阻抗的快速变化实现高功率电能传输路径切换的开关器件,通常指传输功率达到数十兆瓦甚至数十太瓦的开关。

主要参数

    (1)标称电压:设计时选择的工作电压,通常又称为工作电压。高功率开关的标称电压一般在数十kV以上,可高达十数MV。

    (2)导通电流:设计时选择的传输电流,通常又称为工作电流。高功率开关的导通电流一般在数kA以上,可高达数MA;

    (3)导通电阻:开关导通时在放电回路中表现的电阻。高功率开关的导通电阻通常在毫欧以下。

    (4)导通电感:开关导通时在放电回路中表现的电感。高功率开关的导通电感通常在微亨以下。

    (5)传输电荷量:开关一次动作向负载传输的电荷量。

    (6)转换时间:闭合开关从高阻状态转换到低阻状态,或断路开关从低阻状态转换到高阻状态所需的时间。高功率开关的转换时间通常在数十ns以下,可低至ps量级。

    (7)持续时间:闭合开关从高阻状态转换到低阻状态后维持低阻状态的时间,或断路开关从低阻状态转换到高阻状态后维持高阻状态的时间。高功率开关的持续时间通常在ns至μs量级,少数应用场合可至ps或ms量级。

类型

    按照功能分类,高功率开关可分为闭合开关和断路开关。

    按照工作介质分类,高功率开关可分为真空开关、气体开关、液体开关及固态开关。常用的气体开关包括赝火花开关、充气火花隙开关、高压气体开关、吹气开关等。常用的液体开关包括油介质开关、水介质开关。常用的固态开关包括半导体断路开关(SOS)、光导开关、功率半导体开关、磁开关以及介质表面放电开关等。

    按照触发源类型分类,高功率开关可分为自动作开关、机械触发开关(含爆炸触发)、电脉冲触发开关、激光触发开关、粒子束触发开关以及磁场抑制开关等。

结构

    高功率开关通常包括电极、工作介质、壳体和引出结构三部分。

    开关电极一般采用黄铜、不锈钢、铜钨合金等导电性能良好的金属或合金材料制成,一只高功率开关至少包含一对电极(通常简称主电极),部分电脉冲触发型开关还有触发电极。多级开关使用多个电极,其两端与引出结构相连的电极称为主电极,其余夹持在两个主电极之间的电极称为中间电极。

    高功率开关的工作介质是填充在电极之间的气体、液体或固体材料,真空也是高功率开关常用的一种工作介质。对于闭合开关,工作介质初始状态是绝缘体或高阻抗介质;开关动作时,工作介质被击穿或由高阻抗状态转变为低阻抗状态。

    开关壳体用于容纳工作介质,通常由绝缘材料制成,少数类型的断路开关采用电极作为壳体。

    开关引出结构用于实现开关电极与电路的连接,采用导电性能良好的金属或合金材料制成。

功能

    高功率开关用于实现高功率电脉冲传输路径的切换。它不仅对脉冲功率装置的输出特性具有决定性作用,甚至是脉冲功率系统成败的关键。脉冲功率技术研究中,不仅要求高功率开关能够传输数十兆瓦到太瓦级的功率。还要求其时间抖动在纳秒范围。

    高功率开关通常工作在较高功率水平下,导通和关断过程均受控的全控开关通常仅在GW级以下的重复频率脉冲功率系统中有少量应用。因此,通常按照其功能,将高功率开关分为两个大类:

    (1) 闭合开关(closing switch):初始状态,开关阻抗为高阻,阻断电流使其不能向负载传输;开关动作时,开关阻抗变换为低阻,使电流通过开关及其后的传输结构向负载馈送高峰值电流。该类开关适用于电容储能电路。

    (2) 断路开关(opening switch):初始状态,开关阻抗为低阻,使电流通过开关流过与负载并联的旁路放电回路,使其不能向负载传输;开关动作时,开关阻抗变换为高阻,是电流通过不能通过开关所在的放电旁路,切换进入负载所在的放电回路,向负载馈送高峰值电流。该类开关适用于电感储能电路。

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