真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)(TVS)的觸發(fā)系統(tǒng)概述

         真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)TVS（Trggered Vacuum Suitch）是高功率脈沖技術(shù)領(lǐng)域的重要開(kāi)關(guān)器件之一，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、介質(zhì)恢復(fù)迅速、操作無(wú)噪聲、工作可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在中壓領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。針對(duì)場(chǎng)擊穿型TVS觸發(fā)比較困難的特點(diǎn)，在觸頭表面涂敷TiH2材料，利用TiH2的脫氫產(chǎn)生大量的初始等離子體，可以有效地降低觸發(fā)電壓，提高觸發(fā)可靠性。

         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0.5 mm 的真空小間隙，正是觸發(fā)脈沖的放電通道。從微觀上看，涂敷TiH2 材料的觸發(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- 8 mm2，所以電流密度可達(dá)105~106 A/mm2。當(dāng)發(fā)射電流流過(guò)這些尖峰時(shí)，會(huì)使它們發(fā)熱，導(dǎo)致TiH2 迅速分解，揮發(fā)出氫氣。當(dāng)電子穿過(guò)蒸氣云時(shí)，使氣體原子電離而引起擊穿，從而產(chǎn)生大量的初始等離子體，迅速接通TVS正負(fù)極。所以，場(chǎng)致發(fā)射是觸發(fā)針尖端放電的原因，同時(shí)也是場(chǎng)擊穿型TVS 被觸發(fā)的原因。

         圖3 脈沖回路采用高壓擊穿能量續(xù)流的辦法觸發(fā)TVS。T2 利用彩電高壓包JVC7697，產(chǎn)生一個(gè)正高壓脈沖，其突出特點(diǎn)是上升前沿陡峭，振蕩小，并且維持高壓時(shí)間比較長(zhǎng)。試驗(yàn)時(shí)T1 前接自耦調(diào)壓器，連續(xù)調(diào)節(jié)充電電壓，改變輸出脈沖峰值和續(xù)流能量。

         圖4 是相應(yīng)的控制信號(hào)電路，利用光纖隔離高壓回路對(duì)信號(hào)回路的干擾，最后輸出2.4 V 可控硅控制信號(hào)。當(dāng)C1=C2=1000 μF、充電至150 V 時(shí)，回路輸出脈沖峰值在22 kV，續(xù)流能量達(dá)9J 左右，有效地開(kāi)通TVS。圖5 是空載觸發(fā)脈沖，信道2 是5 V 控制信號(hào)，信道1 是輸出的22 kV 高壓正脈沖。所使用的測(cè)量工具是TEKTDS210 數(shù)字存儲(chǔ)示波器，配型號(hào)為P6015A的高壓探頭。

圖4 控制信號(hào)電路

         觸發(fā)極擊穿的過(guò)程產(chǎn)生大量初始等離子體，這是能否成功導(dǎo)通TVS 的關(guān)鍵。而影響真空擊穿過(guò)程的因素很多，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，材料和間隙。主電極材料以銅為主，已知銅的絕緣強(qiáng)度42 kV/mm，小間隙0.5 mm，所以為有效觸發(fā)TVS，觸發(fā)脈沖電壓峰值應(yīng)不低于21 kV。因?yàn)楸砻嫱糠蟮腡iH2作用，實(shí)際的觸發(fā)電壓比理論上的要小。試驗(yàn)結(jié)果TVS 樣品成功導(dǎo)通的觸發(fā)脈沖電壓峰值在19kV 左右，如圖6。

         試驗(yàn)回路采用的是LC 振蕩電路。TVS 按照正極性接線方式，即帶觸發(fā)極的主電極接地，而另外的主電極接試驗(yàn)回路中電容的正極。觸發(fā)針接觸發(fā)系統(tǒng)的輸出，正脈沖觸發(fā)方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，該觸發(fā)系統(tǒng)觸發(fā)成功率高，所做的22次試驗(yàn)全部成功，而且系統(tǒng)延時(shí)分散性小，控制在40 μs 左右（觀察圖6 兩個(gè)波形的下降沿之間的時(shí)間差）。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2，可知觸發(fā)系統(tǒng)延時(shí)集中在38~ 41 μs，最大誤差不超過(guò)5 μs。

表2 觸發(fā)系統(tǒng)延時(shí)及其分散性

         試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間內(nèi)連續(xù)做開(kāi)通試驗(yàn)，開(kāi)始的幾次試驗(yàn)延時(shí)時(shí)間稍長(zhǎng)，后來(lái)延時(shí)時(shí)間稍短。由于前幾次TVS 導(dǎo)通，產(chǎn)生大量的氫氣，短時(shí)間內(nèi)不能被鈦完全重新吸收，導(dǎo)致TVS 內(nèi)部真空度下降，觸發(fā)極擊穿更加容易。時(shí)間稍長(zhǎng)一些，殘余的氫氣被鈦完全吸收，最終恢復(fù)到原先的真空狀態(tài)。

           如果在沒(méi)有涂敷觸發(fā)材料的前提下，TVS 的觸發(fā)就更難，同樣的觸發(fā)系統(tǒng)，需要30kV 左右的觸發(fā)脈沖。所以，涂敷TiH2 能夠有效地降低TVS的觸發(fā)電壓，提高TVS 的觸發(fā)可靠性。而且，系統(tǒng)延時(shí)分散性較小，為T(mén)VS 的串并聯(lián)使用提供了條件，進(jìn)一步提高TVS 的耐壓和通流能力。