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1、触发真空开关简介
真空触发开关(TVS)又称为真空触发间隙,是将真空开关技术和三极火花隙技术相结合而发展起来的一种新型开关器件,其特点是利用真空作为主触头间的绝缘介质和灭弧介质,并采用特殊设计的触发极来控制开关进行快速关合｡TVS的优点主要有:工作电压范围宽,高库仑电量导通特性,低电弧电压,动作迅速,介质恢复快,高重复频率,高触发准确度,高寿命,重量轻､体积小､经济性好,触发系统灵活､简单可靠｡TVS的这些优点决定了它可以充当高压电器的过电流､过电压保护装置,大功率调速管的保护装置;可代替可控硅､闸流管､放电管和火花间隙,用于大功率高压的整流､变流;亦可在电容器放电回路､脉冲激光系统中用作高压､高重复频率的开关装置;还可以用作高功率微波电源､核聚变装置中充当大能量精密控制开关等｡
TVS有三种电极结构:平板型电极结构,运动型电极结构和多棒级型电极结构,本论文设计的实验主要涉及的是多棒级型电极结构｡TVS的工作过程可分为触发阶段和主间隙导通阶段细分的话,又分为:触发､导通､熄灭和恢复四个过程｡TVS触发特性的主要技术指标为触发时延,触发电压,触发电压峰值,触发电流,工作电流等，触发时延是TVS品质好坏的关键技术指标。本文通过直接触发回路与间接触发回路两种实验回路，来研究触发能量对TVS触发时延的影响｡
2、TVS触发实验
TVS的触发控制主要有两种方式:一种是触发电容通过脉冲变压器输出一个高压脉冲,对TVS进行触发,称为间接触发方式;一种是给触发电容充高电压,直接对TVS进行触发称为直接触发方式｡
间接触发电路采用单脉冲触发电路,触发回路如图3.3所示,源方输入交流电压0~1000V可调;D1是整流二极管;R1为触发回路充电电阻,500Ω;C1为触发回路充电电容｡试验中改变触发能量,主要是通过改变充电电容和调压器副方输出电压实现的;K1为触发控制开关;T1为高频隔离脉冲变压器｡
图3.3 TVS间接触发方式触发回路
直接触发方式触发电路如图3.4所示,接入交流电压0~220V;T为升压变压器,变比为1:35,D是硅堆;R为触发回路充电电阻,5kΩ;C为触发电容｡试验中改变触发能量,主要是通过改变触发电容器的电容值和充电电压实现的;K为手动开关,控制触发TVS｡
图3.4直接触发方式实验电路图
(1)直接触发实验
对开关编号为07100530的TVS以直接触发的方式进行触发实验｡选取触发电容为1μF不变,通过改变触发电压来改变触发能量｡实验记录如表4-1所示:
表4-1
由实验可以得到触发能量与触发时延的关系,如图3.5所示
图3.5触发时延与触发电压关系图
提高触发电容充电电压,增大触发能量,则触发时延逐渐减小｡当触发电压在4kV时,触发时延在400ns,抖动很小｡
为了找到合适的触发电容参数,我们给触发电容充同样的电压,减小电容的大小,进行实验｡实验发现,即使触发电容只有25nF,触发TVS时,触发时延仍然只有500~600ns｡
通过以上实验可以得出如下结论:1.随着触发电压增大,触发时延减小,时延分散性减小;2.通过改变触发电容来改变触发能量,以此来分析触发特性,结论不明显｡
（2）间接触发实验
(a)改变触发回路充电电容上的充电电压
触发变压器原方充电电压对TVS触发时延的影响,对于同一台脉冲触发变压器,我们改变触发变压器原方充电电压进行实验观察触发时延的变化特性｡脉冲变压器采用GDTM(C)-3/203kVA/20kV/70kHz,变比为800V:20kV｡触发变压器原方的充电电压不能太小,否则,变压器副方输出电压的峰值低于TVS的最小触发击穿电压,使TVS不能正常工作;触发变压器原方的充电电压也不能高于其额定的工作电压,因此我们选择的充电电压为300V~1000V｡
进行实验的TVS开关编号为08001,实验记录如表3.2所示
表3-2.间接触发实验数据
依以上实验数据可以作出触发电压与触发时延的关系图,如图3.9:
图3.9 触发变压器原方充电电压对触发时延的影响
从图中可以看出随着触发变压器原方充电电压的升高,TVS的触发时延減小,且时延抖动也在减小｡当触发变压器原方充电电压有1000V时,时延抖动减小为3.4μs｡原方充电电压越高,触发电容器中储存的能量就越多,所以触发能量对TVS的工作特性影响显著｡
(b)改变触发回路充电电容C1
触发回路电容分别采用20μF膜电容和100μF膜电容｡比较不同类型､不同电容量对触发电压Vs､导通时延ts以及上升时间tr的影响,见表3-3所示｡
表3-3 触发回路采用膜电容时开关触发电压和导通时延
工作电压 类型 触发电压Vs
理论上,提高触发电容的电容量,可能会使开关的导通时延降低｡但表3-3来看,触发回路主电容电容量对触发电压､导通时延和上升时间的影响不明显｡
3总结
通过以上实验中,我们可以得到如下结论:(1)不论是直接触发方式,还是间接触发方式,通过改变触发电压的方式改变触发能量研究触发特性,可以看到随着触发电压增大,触发时延减小,时延分散性减小;(2)不论是直接触发方式,还是间接触发方式,通过改变触发电容的方式改变触发能量,时延分散性,以及时延大小与触发电容大小的改变没有明显的关联。
通过研究触发能量对TVS触发时延的影响，将为TVS工作特性的进一步改善提高提供切实的实验依据。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
真空触发开关(TVS)又称为真空触发间隙,是将真空开关技术和三极火花隙技术相结合而发展起来的一种新型开关器件,其特点是利用真空作为主触头间的绝缘介质和灭弧介质,并采用特殊设计的触发极来控制开关进行快速关合｡TVS的优点主要有:工作电压范围宽,高库仑电量导通特性,低电弧电压,动作迅速,介质恢复快,高重复频率,高触发准确度,高寿命,重量轻､体积小､经济性好,触发系统灵活､简单可靠｡TVS的这些优点决定了它可以充当高压电器的过电流､过电压保护装置,大功率调速管的保护装置;可代替可控硅､闸流管､放电管和火花间隙,用于大功率高压的整流､变流;亦可在电容器放电回路､脉冲激光系统中用作高压､高重复频率的开关装置;还可以用作高功率微波电源､核聚变装置中充当大能量精密控制开关等｡
TVS有三种电极结构:平板型电极结构,运动型电极结构和多棒级型电极结构,本论文设计的实验主要涉及的是多棒级型电极结构｡TVS的工作过程可分为触发阶段和主间隙导通阶段细分的话,又分为:触发､导通､熄灭和恢复四个过程｡TVS触发特性的主要技术指标为触发时延,触发电压,触发电压峰值,触发电流,工作电流等，触发时延是TVS品质好坏的关键技术指标。本文通过直接触发回路与间接触发回路两种实验回路，来研究触发能量对TVS触发时延的影响｡
2、TVS触发实验
TVS的触发控制主要有两种方式:一种是触发电容通过脉冲变压器输出一个高压脉冲,对TVS进行触发,称为间接触发方式;一种是给触发电容充高电压,直接对TVS进行触发称为直接触发方式｡
间接触发电路采用单脉冲触发电路,触发回路如图3.3所示,源方输入交流电压0~1000V可调;D1是整流二极管;R1为触发回路充电电阻,500Ω;C1为触发回路充电电容｡试验中改变触发能量,主要是通过改变充电电容和调压器副方输出电压实现的;K1为触发控制开关;T1为高频隔离脉冲变压器｡
图3.3 TVS间接触发方式触发回路
直接触发方式触发电路如图3.4所示,接入交流电压0~220V;T为升压变压器,变比为1:35,D是硅堆;R为触发回路充电电阻,5kΩ;C为触发电容｡试验中改变触发能量,主要是通过改变触发电容器的电容值和充电电压实现的;K为手动开关,控制触发TVS｡
图3.4直接触发方式实验电路图
(1)直接触发实验
对开关编号为07100530的TVS以直接触发的方式进行触发实验｡选取触发电容为1μF不变,通过改变触发电压来改变触发能量｡实验记录如表4-1所示:
表4-1
由实验可以得到触发能量与触发时延的关系,如图3.5所示
图3.5触发时延与触发电压关系图
提高触发电容充电电压,增大触发能量,则触发时延逐渐减小｡当触发电压在4kV时,触发时延在400ns,抖动很小｡
为了找到合适的触发电容参数,我们给触发电容充同样的电压,减小电容的大小,进行实验｡实验发现,即使触发电容只有25nF,触发TVS时,触发时延仍然只有500~600ns｡
通过以上实验可以得出如下结论:1.随着触发电压增大,触发时延减小,时延分散性减小;2.通过改变触发电容来改变触发能量,以此来分析触发特性,结论不明显｡
（2）间接触发实验
(a)改变触发回路充电电容上的充电电压
触发变压器原方充电电压对TVS触发时延的影响,对于同一台脉冲触发变压器,我们改变触发变压器原方充电电压进行实验观察触发时延的变化特性｡脉冲变压器采用GDTM(C)-3/203kVA/20kV/70kHz,变比为800V:20kV｡触发变压器原方的充电电压不能太小,否则,变压器副方输出电压的峰值低于TVS的最小触发击穿电压,使TVS不能正常工作;触发变压器原方的充电电压也不能高于其额定的工作电压,因此我们选择的充电电压为300V~1000V｡
进行实验的TVS开关编号为08001,实验记录如表3.2所示
表3-2.间接触发实验数据
依以上实验数据可以作出触发电压与触发时延的关系图,如图3.9:
图3.9 触发变压器原方充电电压对触发时延的影响
从图中可以看出随着触发变压器原方充电电压的升高,TVS的触发时延減小,且时延抖动也在减小｡当触发变压器原方充电电压有1000V时,时延抖动减小为3.4μs｡原方充电电压越高,触发电容器中储存的能量就越多,所以触发能量对TVS的工作特性影响显著｡
(b)改变触发回路充电电容C1
触发回路电容分别采用20μF膜电容和100μF膜电容｡比较不同类型､不同电容量对触发电压Vs､导通时延ts以及上升时间tr的影响,见表3-3所示｡
表3-3 触发回路采用膜电容时开关触发电压和导通时延
工作电压 类型 触发电压Vs
理论上,提高触发电容的电容量,可能会使开关的导通时延降低｡但表3-3来看,触发回路主电容电容量对触发电压､导通时延和上升时间的影响不明显｡
3总结
通过以上实验中,我们可以得到如下结论:(1)不论是直接触发方式,还是间接触发方式,通过改变触发电压的方式改变触发能量研究触发特性,可以看到随着触发电压增大,触发时延减小,时延分散性减小;(2)不论是直接触发方式,还是间接触发方式,通过改变触发电容的方式改变触发能量,时延分散性,以及时延大小与触发电容大小的改变没有明显的关联。
通过研究触发能量对TVS触发时延的影响，将为TVS工作特性的进一步改善提高提供切实的实验依据。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。