真空觸發(fā)開關(guān)(TVS)的基本結(jié)構(gòu)和工作過程

         真空觸發(fā)開關(guān)(Triggered Vacuum Switch,TVS)，又稱真空觸發(fā)間隙，是在真空間隙和觸發(fā)火花隙技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、介質(zhì)恢復(fù)迅速、操作無噪聲、工作可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在高功率脈沖技術(shù)方面得到了廣泛應(yīng)用。

         TVS的研究始于上世紀(jì)六十年代，美國通用電氣公司的Lafferty等人，對(duì)TVS，特別是涂敷氫化物作觸發(fā)材料的TVS 做了大量的研究。七十年代，印度一些學(xué)者對(duì)絕緣介質(zhì)和半導(dǎo)體涂層作為觸發(fā)材料的TVS，做了大量的實(shí)驗(yàn)。后來，TVS 在高功率脈沖技術(shù)和高電壓大電流快速關(guān)合領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了TVS 的發(fā)展。目前，TVS的最高工作電壓可達(dá)100kV，最大工作電流可達(dá)200 kA，最高重復(fù)頻率在1 kHz 以上，最長使用壽命達(dá)108次。

         根據(jù)觸發(fā)機(jī)理不同，TVS可以分為兩大類：沿面型TVS 和場擊穿型TVS。兩者的區(qū)別主要是沿面型TVS在觸發(fā)小孔填充陶瓷或半導(dǎo)體材料，在此之上再涂敷一層觸發(fā)材料，譬如TiH2；而場擊穿型TVS的觸發(fā)小孔是沒有任何填充劑的，所以只在觸發(fā)極和主電極表面涂敷觸發(fā)材料。

TVS 基本結(jié)構(gòu)

         TVS 的基本結(jié)構(gòu)以及樣品如圖1、2 所示，它主要包括一個(gè)絕緣外殼(陶瓷或玻璃材料)、一個(gè)金屬屏蔽罩、一對(duì)相距為d的主電極和一個(gè)觸發(fā)極，管內(nèi)真空度一般維持在1.33×10－4 Pa 左右。絕緣外殼保證內(nèi)部真空度，同時(shí)起絕緣和支撐作用；金屬屏蔽罩可以調(diào)整TVS內(nèi)部的電場分布，并且防止燃弧時(shí)金屬蒸氣和觸發(fā)材料沉積在絕緣殼體的內(nèi)表面，導(dǎo)致殼體內(nèi)表面的絕緣強(qiáng)度降低；主電極傳導(dǎo)大電流，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)TVS的性能有重要的影響；觸發(fā)極連接外來觸發(fā)源，產(chǎn)生初始等離子體。觸發(fā)極及其所在主電極表面涂了一層直徑約20 mm 的TiH2。TVS 樣品實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 TVS 樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)

TVS 的工作過程

          TVS 的工作過程通常包括兩個(gè)主要階段，即觸發(fā)階段和主間隙導(dǎo)通階段。觸發(fā)階段為主間隙提供初始等離子體。作為場擊穿型TVS，初始等離子體由發(fā)針的尖端放電，燃燒觸發(fā)材料，產(chǎn)生大量等離子體，并擴(kuò)散進(jìn)入主間隙。在主間隙電場的作用下，帶電粒子首先引發(fā)輝光放電，隨著電流密度的迅速增加，輝光放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹�，建立起金屬蒸氣電弧，主間隙導(dǎo)通。當(dāng)主間隙放電電流過零時(shí)，開關(guān)斷開。