3.2脉冲功率开关技术2.ppt

脉冲功率系统的开关 电极材料：由于采用了旋转电弧技术，可以利用广泛适用的电极材料，故选取纯紫铜(不镶钨铜)材料来进行初步试验，考查开关耐受大电流能力。 电极尺寸：运用ANSYS 软件对不同电极结构及尺寸的开关间隙电场进行了仿真。结果表明，对称结构的电场均匀性好一些；内外电极半径越大，电场均匀性越好；内外电极尺寸一定时，倒角半径R 比中间未倒角部分长度l 越大，电场均匀性越好。上下线圈距离一定时，中间未倒角部分长度l 越短，其它电气绝缘空余越大，高速旋转的高温炽热电弧及紫外照射对外围绝缘材料的损害越小。 综合考虑开关体积和其它电气绝缘，最终选择开关电极为对称结构，内电极外半径50 mm、外电极内半径65 mm、内外电极端部均倒圆角R 20 mm、未倒角的平板部分长10 mm，为了防止环形外电极产生涡流削弱上下线圈产生的轴向磁场，外电极需割开一段小口，如图5 所示。 脉冲功率系统中的断路开关 断路开关的特点是其阻抗可以瞬时增长。断路机制可以是电阻性的、电感性的或电容性的。电阻性的断路开关典型的例子就是电爆炸丝。 断路开关应具备以下条件： 较长的电流传导时间 大电流容量和小导电损失 断开时的快速阻抗上升 断开后的高阻抗和高需压 恢复时间短（高重复频率） 寿命长（小磨损） 电爆炸丝开关 机械式断路器 超导断路开关 等离子体断路开关 半导体断路开关 爆炸开关 电爆炸丝 就是常用的保险丝（熔丝），其结构由细丝或薄片组成，工作于气体、液体或料状介质中。 断开机制取决于导线的熔化、沸腾和蒸发。 可以在小于50ns时间内断开。 大多数金属的固态和液态电阻率随温度上升，比如铜线的电阻在这一过程中上升两个数量级。同时，由于金属丝内的大电流产生强磁场，它能使金属丝维持一个较高的密度，并使其在超过临界温度后仍能呈现金属性电传导。只有膨胀发生后，电传导才消失。 电爆炸丝的优点就是它比较简单。 可以根据实验条件的需要任意调整金属丝的截面、长度和数量。 机械式断路器 典型的真空机械断路开关由两个平面或圆盘电极组成，其中一个是固定的，别一个是可动的，封装在不超过0.1pa气压的真空容器内。 标准真空断路器的重复频率可达十赫兹，它的断开速度是数十us. 可移动电极安装在一个传动机械装置上，通过伸缩管维持真空。在闭合状态，通过金属电极间的紧密接触，可以获得一个较低的电阻(10-50微欧)。为实现断开，必须通过传动装置将电极分离。在开关断路过程中，通过电极蒸发的金属蒸气在电极间会形成电弧。 可以通过补偿电流脉冲以减少向电弧的能量沉积，这样可以促起残留电弧等离子体的复合。 超导断路开关 超导断路开关利用从超导状态进入常规传导状态的跃迁过程。超导断路开关一般和超导储能一起使用。其主要问题是必须排除断路过程中所产生的热量。 开关的断开可以通过三种不同的方法实现： 电流自身 外加脉冲磁场 脉冲加热 重复频率依赖于超导状态的恢复速度。 * 　 在大功率固体激光器能源系统中,要求放电开关的通流能力达到几百kA ,电荷转移量达到几十甚至几百C。在如此大电流电弧的作用下,开关电极的烧蚀会加剧,要保证开关具有较高的寿命,且结构紧凑易维护,对开关的结构设计就提出了更高的要求。 气体火花开关具有工作电压高、通流能力强、传递电荷量大、开关转换速率高、分散性小等优点,最适合于大功率固体激光器能源系统。 我校两电极开关的研制 两电极开关 　 气体火花开关目前较多采用阴极、阳极和触发极的三电极结构。但是,三电极场畸变火花开关的触发极烧蚀非常严重,极大影响了开关的寿命,不适合在大电流、高库仑量的情况下使用。目前的改进方法是去掉其触发极,变为两电极结构。 美国国家点火工程NIF 的脉冲能源系统PCS 中采用的两电极开关ST2300,其工作电压0～55 kV ,峰值电流280 kA ,电荷转移量700 C。 而国内对两电极开关的研究尚处于初级阶段,我校设计了一种两电极结构的气体火花开关,设计要求是在能量为1. 2 MJ 的装置上能够安全可靠地工作,工作电压23 kV ,峰值电流300 kA ,电荷转移量100 C ,并同时满足开关电极烧蚀小,寿命长的要求。 由于取消了触发极,开关的结构变得十分简单。开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳。 为了使开关在高库仑量大电流的环境下能稳定工作并尽量延长使用寿命,设计的关键在于开关电极材料的选择和形状的优化