真空觸發(fā)開關(guān)(TVS)的觸發(fā)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
真空觸發(fā)開關(guān)(TVS)的觸發(fā)針的主要材料為鎢,它具有沸點(diǎn)高、耐燒蝕、陰極斑點(diǎn)電流大的特點(diǎn)。從宏觀上看,觸發(fā)針和陰極間留有約0.5mm 的真空小間隙(從表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算可得(6-5)/2 =0.5) ,正是觸發(fā)脈沖的放電通道。從微觀上看,觸發(fā)針表面是凹凸不平的,并且有許多微小尖峰存在。因此,當(dāng)觸發(fā)針引入高壓脈沖時(shí),電場(chǎng)將集中于某些尖峰的端部,在端部形成極高的電場(chǎng),引起電子發(fā)射。盡管電子電流很小,由于尖峰的截面積極小,約為10-8mm2,所以電流密度可達(dá)105A·mm-2～106A·mm-2 。當(dāng)發(fā)射電流流過這些尖峰時(shí),會(huì)使它們發(fā)熱、熔化和蒸發(fā)出大量金屬蒸氣。當(dāng)電子穿過金屬蒸氣云時(shí),使金屬原子電離而引起擊穿。
觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路如圖2 所示,采用了高壓擊穿和能量續(xù)流的辦法。T2 是脈沖變壓器,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的高壓脈沖,脈沖前沿在35μs 左右。C1 是脈沖成形電容,C2 是脈沖續(xù)流電容,SCR 是可控硅。試驗(yàn)時(shí)將D1D2 并聯(lián)構(gòu)成全波整流,變壓器T1 接自耦調(diào)壓器,可以連續(xù)調(diào)節(jié)C1C2 的充電電壓,改變輸出脈沖峰值和續(xù)流能量。當(dāng)C1 = 1000μF 且充電150V時(shí),回路輸出空載脈沖電壓峰值在-20kV 左右。
圖2 觸發(fā)脈沖電路
觸發(fā)極擊穿的過程產(chǎn)生大量的初始等離子體。而影響真空擊穿的因素很多,譬如觸發(fā)針幾何形狀和大小、間隙的大小、材料、老煉作用、操作條件和真空度等。這里主要考慮兩個(gè)因素,即材料和間隙。主電極材料主要是銅,已知銅在真空中與絕緣強(qiáng)度(間隙為1mm) 的關(guān)系為42kV/ mm, 觸發(fā)間隙0.5mm ,所以為有效觸發(fā)TVS ,可以估計(jì)觸發(fā)脈沖電壓峰值應(yīng)達(dá)到21kV 左右。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是LC振蕩電路,如圖3 所示。
C 為組合脈沖電容器,23614mF ;L 為電感,4614μH ,故主回路震蕩周期T = 2π根號(hào)下LC = 20ms。TVS 按照正極性接線方式,即帶觸發(fā)極的主電極接地,做主陰極,而另外的主電極接回路中電容的正極。觸發(fā)極接觸發(fā)系統(tǒng)的輸出。實(shí)驗(yàn)時(shí)從不加續(xù)流到高能量的續(xù)流連續(xù)可調(diào),改變觸發(fā)電流,觀察TVS 在不同的脈沖下的開通特性。
圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
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