場畸變型氣體開關(guān)高重復(fù)頻率運行特性研究

關(guān)浩玉，洪龍琨，劉志剛，李雨泰，鄒曉兵，王新新，王 鵬

(清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

近年來，基于氣體開關(guān)的重復(fù)頻率納秒脈沖電源已成為國內(nèi)外的研究熱點之一。重復(fù)頻率納秒脈沖源可由氣體開關(guān)或半導(dǎo)體開關(guān)控制充放電，開關(guān)的工作特性直接決定了納秒脈沖的參數(shù)。一方面，氣體開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，單個開關(guān)能承受的電壓和電流大；而半導(dǎo)體開關(guān)需多個器件串并聯(lián)來提高整體的工作電壓和電流。另一方面，氣體開關(guān)的導(dǎo)通十分迅速，而半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通時間限制了脈沖的上升速度[1-2]。因此，高功率快前沿的重復(fù)頻率脈沖源主要采用氣體開關(guān)，但由于受到氣體絕緣恢復(fù)的限制，其重復(fù)頻率不高，很難超過1 kHz。研究人員對此開展了大量研究，提出了多種提高氣體開關(guān)重復(fù)頻率的方法，如增大氣壓[3-5]、選擇合適的絕緣氣體[6-9]、吹氣[7，10-11]及工作在欠電壓狀態(tài)[9]等。其中，吹氣方式最簡單有效。在欠電壓狀態(tài)時，氣體開關(guān)的結(jié)構(gòu)可設(shè)計成三電極場畸變型[12]。在脈沖功率裝置中，場畸變型開關(guān)有重要應(yīng)用，但一般工作在單次放電或幾赫至幾十赫的重復(fù)頻率工況下，高頻運行特性的研究很少。本文研究場畸變型氣體開關(guān)在百赫至千赫范圍的高重復(fù)頻率運行特性，期望能使其工作在更高的重復(fù)頻率下。

2005年，中國工程物理研究院羅敏等[13]研制了兆伏級吹氣式三電極氣體開關(guān)系統(tǒng)，對開關(guān)間隙吹氣以加快擊穿后的絕緣恢復(fù)，重復(fù)頻率最高達(dá)100 Hz。2021年，清華大學(xué)李雨泰等[14]測試了基于吹氣式兩電極自擊穿氣體開關(guān)的納秒脈沖電源，最高重復(fù)頻率超過1.5 kHz，吹氣風(fēng)速越快，重復(fù)頻率就越高。

本文組建了一個基于三電極場畸變型氣體開關(guān)的重復(fù)頻率納秒脈沖電源，通過對比實驗分別研究電觸發(fā)和吹氣對場畸變型氣體開關(guān)工作特性的影響。首先讓開關(guān)工作在自擊穿模式，探究其在極低頻和最高重復(fù)頻率下的工作特性。然后給開關(guān)施加電觸發(fā)，分別在吹氣和不吹氣的情況下得到不同觸發(fā)頻率下的輸出結(jié)果。研究結(jié)果表明，采取外加電觸發(fā)和吹氣可提高氣體開關(guān)的重復(fù)頻率，改善電源的輸出特性。

1 實驗裝置

圖1為實驗裝置原理圖。本文所用的重復(fù)頻率納秒脈沖電源的高壓直流電源采用泰思曼TD2202，最大輸出電壓為50 kV，源內(nèi)限流電阻的大小由電源的限流值來決定，外接限流電阻R1為1 MΩ，脈沖形成線采用波阻抗為50 Ω、長度為8 m的高壓電纜，使用50 Ω的高壓大功率電阻作為匹配負(fù)載R2，負(fù)載電壓使用Tektronix的P6015A型號高壓探頭接入DSO9254A數(shù)字示波器進(jìn)行測量記錄，如圖1(a)所示。實驗中通過調(diào)節(jié)高壓直流電源的輸出電壓和電流來控制脈沖形成線的充電速度，進(jìn)而控制開關(guān)的工作頻率。待測氣體開關(guān)為場畸變型，如圖1(b)所示。整體采用同軸式結(jié)構(gòu)以減小回路電感，高低壓半球形電極間的距離為1 cm。觸發(fā)極為楔形圓盤結(jié)構(gòu)，位于上下半球形主電極的中間，觸發(fā)脈沖通過套管從外部引入。觸發(fā)極中心設(shè)置有通孔，內(nèi)圓和外圓的邊緣都為圓角，以避免產(chǎn)生嚴(yán)重的電場畸變。電極到金屬外殼之間采用鋸齒形絕緣結(jié)構(gòu)，以防沿面閃絡(luò)。分壓電阻R3=R4=50 MΩ，為觸發(fā)極提供靜態(tài)偏置電位，使觸發(fā)前電極間隙電場近似均勻。場畸變開關(guān)的觸發(fā)電路原理如圖1(c)所示，高壓觸發(fā)脈沖通過耦合電容C2傳到氣體開關(guān)的觸發(fā)極上，C2=1 000 pF。經(jīng)測試，此觸發(fā)電路能產(chǎn)生峰值至少為-10 kV、脈寬為80 μs、重復(fù)頻率為0～1.8 kHz可調(diào)的負(fù)極性觸發(fā)脈沖，波形如圖1(d)所示。

(a) Repetition frequency nanosecond pulse power supply

(b) Field distortion gas switch

(c) Trigger circuit of the switch

(d) The waveform of a single trigger pulse

重復(fù)頻率納秒脈沖電源的工作原理為：高壓直流電源給脈沖形成線充電至某一電壓U0時，氣體開關(guān)擊穿導(dǎo)通，脈沖形成線對匹配負(fù)載放電，通過波過程可得到幅值約為U0/2、脈寬為80 ns的準(zhǔn)方波脈沖。脈沖形成線能量釋放完畢后，氣體絕緣恢復(fù)實現(xiàn)關(guān)斷，下一次充電開始，從而在負(fù)載上得到重復(fù)的脈沖序列。

2 實驗結(jié)果

2.1 兩電極自擊穿氣體開關(guān)的工作特性

將氣體開關(guān)的觸發(fā)極去掉，變?yōu)閮呻姌O自擊穿氣體開關(guān)。圖2為自擊穿氣體開關(guān)在極低頻工作時的輸出波形。把高壓直流電源的電流調(diào)至最小，使氣體開關(guān)工作在極低頻下，測得負(fù)載上的單個納秒脈沖波形如圖2(a)中的藍(lán)色曲線所示。由圖2(a)可見，開關(guān)的靜態(tài)擊穿電壓為30 kV，輸出脈沖的波形近似方波，平坦處幅值約為15 kV，脈沖寬度約為80 ns。電壓波形前端存在超過15 kV的過沖，可能是由于負(fù)載存在寄生電感。為測量方便，輸出電壓的大小都用脈沖峰值來表示?？紤]到氣體的擊穿電壓及輸出電壓有一定的分散性，測量極低頻下5個輸出脈沖的峰值，分別為20.94，21.98，18.02，21.68，21.72 kV，平均輸出電壓為20.87 kV。實驗中發(fā)現(xiàn)，輸出波形中每一個幅值明顯較高的主脈沖后面都會緊跟著幾個低幅值的小脈沖。這是由于氣體開關(guān)在擊穿一次之后的短時間內(nèi)，耐受電壓很低，而同時脈沖形成線開始充電，氣體開關(guān)又多次在極低電壓下?lián)舸?，如圖2(b)所示。本文設(shè)定主脈沖為氣體開關(guān)的有效擊穿，小脈沖是無效擊穿，不予考慮。定義單位時間內(nèi)主脈沖的個數(shù)為重復(fù)頻率。

(a) Single nanosecond pulse waveform

(b) Multiple low-voltage breakdown after a single breakdown

主脈沖的峰值超過極低頻下所測最小值的80%就表示氣體開關(guān)的絕緣恢復(fù)了80%以上，此種情況下，自擊穿氣體開關(guān)以最高重復(fù)頻率工作時的輸出波形如圖3所示。由圖3可見，最高重復(fù)頻率約為260 Hz。如果繼續(xù)增大脈沖形成線的充電速度，則氣體開關(guān)的低電壓擊穿次數(shù)更多，重復(fù)頻率降低，絕緣一直無法恢復(fù)時，還易在兩極間形成穩(wěn)定的電弧通道，無法再輸出納秒脈沖。因此，脈沖形成線的充電速度不能無限增大，自擊穿氣體開關(guān)工作的重復(fù)頻率存在上限。

圖3 自擊穿氣體開關(guān)以最高重復(fù)頻率工作時的輸出波形Fig.3 Output waveform for the self breakdown gas switch operating at the highest repetition frequency

2.2 電觸發(fā)下場畸變型氣體開關(guān)的工作特性

通過觸發(fā)電路給場畸變型氣體開關(guān)施加電觸發(fā)脈沖，氣體開關(guān)靠外觸發(fā)擊穿，重復(fù)頻率受觸發(fā)控制。實驗中，調(diào)節(jié)電源的限流來改變脈沖形成線的充電速度，使氣體開關(guān)在每次觸發(fā)脈沖到來時都擊穿，且沒有觸發(fā)脈沖時盡量不擊穿。重復(fù)頻率為50，500 Hz時，負(fù)載的輸出波形如圖4所示。

(a) 50 Hz

(b) 500 Hz

由圖4可見，當(dāng)重復(fù)頻率較低(50 Hz)時，會輸出小脈沖，當(dāng)重復(fù)頻率較高(500 Hz)時，小脈沖消失。對比發(fā)現(xiàn)，施加電觸發(fā)后的輸出電壓比不加觸發(fā)時低，即欠電壓工作，絕緣更易恢復(fù)，所以不易輸出小脈沖。將同一重復(fù)頻率下多個輸出脈沖的峰值取平均值，得到納秒脈沖電源的平均輸出電壓隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5可見，施加電觸發(fā)后，欠壓工作狀態(tài)下，氣體開關(guān)的重復(fù)頻率大大提高，最高可達(dá)1.8 kHz，此時欠壓比為0.6。從總體趨勢上來看，隨著重復(fù)頻率的提高，輸出電壓的平均值在降低，這是因為脈沖形成線的充電電壓降低。

圖5 納秒脈沖電源的平均輸出電壓隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系Fig.5 Average output voltage vs. repetition frequency of the nanosecond pulse power supply

比較圖3和圖5可見，施加較高重復(fù)頻率觸發(fā)脈沖時，輸出電壓可降至不加觸發(fā)時的40%。為研究在低欠壓比下開關(guān)仍能擊穿的原因，在電觸發(fā)重復(fù)頻率為100 Hz的條件下，同時測量開關(guān)電極和負(fù)載上的電壓波形，如圖6所示。由圖6可見，在充電過程中，觸發(fā)極的電壓上升很慢，總電壓幾乎全部落在上半間隙，所以，總體的自擊穿電壓減半，觸發(fā)擊穿電壓小于自擊穿電壓，輸出電壓就更小。

場畸變型氣體開關(guān)間隙未擊穿時的等效電路模型如圖7所示。由圖7可見：在直流或低頻下，電容的影響很小，與間隙并聯(lián)的分壓電阻能有效地將觸發(fā)極的電位置于總電壓的一半；在高頻時，與分壓電阻相比，電容的容抗不可忽略，電容分壓在很大程度上決定了上下間隙的分壓。氣體開關(guān)剛開始充電時，電壓上升很快，頻率很高，由于上下間隙電容大小不相等，C1小于C2，所以觸發(fā)極的電壓小于總電壓的一半。

圖6 電觸發(fā)下氣體開關(guān)電極和負(fù)載上的電壓波形(重復(fù)頻率100 Hz、不吹氣)Fig.6 Voltage waveforms of electrode of gas switch under triggering (the repetition frequency is 100 Hz, no blowing)

圖7 場畸變型氣體開關(guān)間隙未擊穿時的等效電路模型Fig.7 Equivalent circuit model without breakdown of the field distortion gas switch gap

造成下半間隙的電容大于上半間隙的因素有：一是氣體開關(guān)本身的結(jié)構(gòu)，金屬外殼接地使間隙電場分布不對稱，拉低了觸發(fā)極的電位，觸發(fā)極和兩個主電極之間分別構(gòu)成大小相等的電容，而金屬外殼和觸發(fā)極之間也有分布電容，這個分布電容并聯(lián)在觸發(fā)極和地之間。經(jīng)計算，高壓電極和觸發(fā)極之間的等效電容為幾皮法，觸發(fā)極和地之間的等效電容為幾十皮法；二是觸發(fā)電路中變壓器副邊側(cè)串聯(lián)的耦合電容，電容為1 000 pF，影響很大，在充電過程中并聯(lián)在觸發(fā)極和地之間。為驗證1 000 pF電容的影響，用Simulink對氣體開關(guān)的充電過程進(jìn)行簡單的仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，在前0.01 s內(nèi)，波形與圖6的實驗結(jié)果大致吻合。

圖8 氣體開關(guān)在充電時電壓波形的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the voltage waveform of the gas switch during charging

2.3 吹氣對場畸變型氣體開關(guān)工作特性的影響

電觸發(fā)下，在氣體開關(guān)的外殼上接入風(fēng)機，風(fēng)機吹氣的速率為14.5 m·s-1，風(fēng)向垂直于氣隙擊穿通道。實驗中盡可能地增大高壓直流電源的輸出電壓和限流值，即盡可能地提高脈沖形成線的充電速度，使氣體開關(guān)恰好不發(fā)生自擊穿，從而輸出較高的電壓。吹氣時，重復(fù)頻率分別為50，500 Hz時的輸出波形如圖9所示。比較圖9與圖4可見：吹氣后，重復(fù)頻率較低(50 Hz)時，輸出不再有小脈沖，高重復(fù)頻率(500 Hz)時的輸出電壓有所提高，也不存在小脈沖。吹氣與不吹氣時，平均輸出電壓隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系如圖10所示。由圖10可見，與不吹氣相比，一定的重復(fù)頻率下，吹氣后的平均輸出電壓有明顯提高；或者說，輸出電壓一定時，吹氣可使電源達(dá)到更高的重復(fù)頻率。這是由于吹氣加快了氣體絕緣的恢復(fù)速度，開關(guān)允許有更快的充電速度，輸出電壓就更高。

(a) 50 Hz

(b) 500 Hz

圖10 吹氣與不吹氣時，平均輸出電壓隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系Fig.10 Average output voltage vs. repetition frequency with or without blowing

3 結(jié)論

本文采用對比實驗研究了電觸發(fā)和吹氣對氣體開關(guān)工作特性的影響。研究結(jié)果表明：電觸發(fā)和吹氣都能提高氣體開關(guān)的重復(fù)頻率，并有效地改善脈沖電源的輸出特性；兩電極自擊穿氣體開關(guān)的最高重復(fù)頻率只有約260 Hz，且輸出有較多的小脈沖；而施加電觸發(fā)后氣體開關(guān)的最高重復(fù)頻率可提高到1.8 kHz，欠壓比為0.6，重復(fù)頻率較低時有小脈沖輸出，重復(fù)頻率提高后小脈沖消失；場畸變型開關(guān)在較高重復(fù)頻率運行時，觸發(fā)電路中的耦合電容和開關(guān)電極間的分布電容會影響開關(guān)的工作狀態(tài)；給氣體開關(guān)間隙吹氣后，氣體絕緣恢復(fù)特性有了明顯改善，輸出中的小脈沖基本消失，相同欠壓比下可達(dá)到更高的重復(fù)頻率。