一种脉冲功率用磁延迟伪火花开关的制作方法

本公开属于脉冲功率技术、气体激光器、极紫外光刻电源等领域，特别涉及一种脉冲功率用磁延迟火花开关。

背景技术：

高压脉冲放电开关是脉冲功率技术的关键器件之一，在高功率微波、气体激光器、极紫外光刻、粒子加速器等方面具有日益重要的作用。国内外针对高压脉冲放电开关开展了持久的研究，常见形式有高气压开关、磁开关、固态开关、伪火花开关等。但单一器件均存在固有缺陷难以克服。相比单一开关器件所遭遇的局限性，将磁开关与其他开关配合使用的磁延迟开关技术在重复频率脉冲功率系统中表现出巨大的发展潜力。

磁延迟伪火花开关由磁开关与伪火花开关串联构成。磁开关本质上是一个可饱和电感，重频性能优异，可工作在数十千赫兹的高重复频率下，与气体开关相比没有绝缘恢复和电极烧蚀问题，与半导体开关相比耐压和通流容量大。然而，高电压应用对磁开关伏秒积要求较高，脉冲前沿变缓或磁芯体积上升的问题较为突出。伪火花开关是一种非常有发展潜力的脉冲功率开关，与其他气体开关如高气压火花间隙开关、真空触发开关和氢闸流管等相比，具有尺寸小，放电电流上升陡度大，时延抖动小，通流能力强，电极烧蚀小，寿命长，可通过100％反向电流，介质恢复速度快，重复频率甚至可达100khz等优点。在具体应用时发现，高重复频率伪火花开关仍存在诸多问题亟待解决，如导通损耗大，导致开关发热、重复频率工作时间、寿命和稳定性受限；阳极烧蚀较为严重，影响整个寿命过程中放电稳定性；绝缘恢复速度有待进一步提高等。

技术实现要素：

基于此，本公开揭示了一种脉冲功率用磁延迟伪火花开关，所述伪火花开关包括磁开关(1)和伪火花开关(2)；

所述磁开关(1)用于延迟电流的上升时间；

所述伪火花开关(2)用于承担脉冲放电的高电压；

所述磁开关(1)包括高压绝缘导线(3)和环形磁芯(4)；

所述高压绝缘导线(3)绕制在环形磁芯(4)上；

所述伪火花开关(2)包括阳极盖板(5)、阴极盖板(6)、空心阳极(7)、空心阴极(8)、绝缘外壳(9)和触发单元(11)；

所述阳极盖板(5)、阴极盖板(6)和绝缘外壳(9)构成密闭腔体；

所述绝缘外壳内部包括空心阳极(7)、空心阴极(8)以及触发单元(11)。

本公开具有以下技术效果：

1、本公开提供一种运用磁延迟开关技术的新型高压脉冲放电开关，此开关具备极大的电流上升率、极低的导通损耗、电极烧蚀率低且寿命极长。

2、本公开所述的空心阴极和空心阳极的相对端面均开有若干圆孔，孔直径为3～5mm，两电极放电发生面的距离为3～5mm；触发极通过绝缘套管穿过阴极盖板，并布置在空心阴极腔体内部；放电由触发极引发，沿阴极孔和阳极孔轴线发展，放电等离子体扩展到孔周围区域，放电形式为伪火花放电。

3、本公开所述磁开关的伏秒积参数须达到一定的要求，足以使得伪火花开关导通过程中，电压跌落到很低值后，电流才开始大量流通。

附图说明

图1是本公开中一个实施例的结构示意图；

图2是本本公开中一个实施例的结构示意图；

图3是本公开中一个实施例的结构示意图；

其中，磁开关(1)和伪火花开关(2)、高压绝缘导线(3)、环形磁芯(4)、阳极盖板(5)、阴极盖板(6)、空心阳极(7)、空心阴极(8)、绝缘外壳(9)、绝缘介质薄片(10)、触发单元(11)、触发电极(12)、绝缘套管(13)、绝缘套管(14)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步的详细说明。

在一个实施例中，本公开揭示了一种脉冲功率用磁延迟伪火花开关，包括磁开关(1)和伪火花开关(2)；

所述磁开关(1)用于延迟电流的上升时间；

所述伪火花开关(2)用于承担脉冲放电的高电压；

所述磁开关(1)包括高压绝缘导线(3)和环形磁芯(4)；

所述高压绝缘导线(3)绕制在环形磁芯(4)上；

所述伪火花开关(2)包括阳极盖板(5)、阴极盖板(6)、空心阳极(7)、空心阴极(8)、绝缘外壳(9)和触发单元(11)；

所述阳极盖板(5)、阴极盖板(6)和绝缘外壳(9)构成密闭腔体；

所述绝缘外壳内部包括空心阳极(7)、空心阴极(8)以及触发单元(11)。

本实施例的工作原理是：在触发极施加触发脉冲后，伪火花开关两端电压迅速跌落，但电流被磁开关截止，几乎可以忽略。在磁开关由未饱和状态向饱和状态转变的过程中，伪火花开关内部的等离子体得以充分发展和倍增。磁开关一经饱和，回路中大电流迅速流通，而此时伪火花开关上压降己跌落到很低值。因此，磁延迟的效果大大降低了伪火花开关的导通损耗和电子能量，减小了阳极烧蚀，同时加快了电流上升的速度。

在一个实施例中，所述磁开关(1)与伪火花开关(2)的空心阳极(8)相串联。

在一个实施例中，所述绕制在环形磁芯(4)上的高压绝缘导线(3)的匝数从一匝到若干匝不等且均匀分布；

所述环形磁芯(4)的材料选用铁氧体和纳米晶；

制成所述高压绝缘导线芯线的材料为铜，绝缘外皮的材料为硅胶。

在本实施例中，所述高压绝缘导线在磁芯上构成线圈，导通电流并使得内部金属芯线与磁芯绝缘，高压绝缘导线具体匝数根据实际使用中所需磁芯的伏秒积参数选定，其目的是为了达到合适的耐受电压幅值和脉冲宽度的能力，以及合适的延迟电流上升时间。

本实施例环形磁芯(4)的材料选用铁氧体和纳米晶的原因是：这两种磁芯的磁滞回线更接近矩形且高频性能良好，相比于硅钢片等材料，制作相同伏秒积参数的磁开关所需的磁芯体积更小，适合在重复频率脉冲功率领域应用。

在一个实施例中，所说的阳极盖板(5)、阴极盖板(6)和绝缘外壳(9)构成的密闭腔体内部压力为1～100pa。

在本实施例中，伪火花开关的工作气压范围在1-100pa，工作于巴申曲线左半支。

在一个实施例中，空心阳极(7)和空心阴极(8)的端面开有直径3～5mm的圆孔，且平行相对，间距为3～5mm。

在本实施例这样的尺寸结构下，所述伪火花开关具有较高的耐压能力且便于空心阴极放电的发生。

在一个实施例中，所述触发单元(11)布置在空心阴极(8)内部，且正对阴极上的圆孔。

在本实施例中，所述触发单元(11)布置在空心阴极(8)内部，且正对阴极上的圆孔是为了实现较好的触发效果，不正对的时候也可以触发，但触发效果会发生劣化。

在一个实施例中，所述伪火花开关还包括有自制高压脉冲发生器和绝缘套管(13)；

所述自制高压脉冲发生器与触发单元配合产生触发信号；

所述触发信号通过绝缘套管(13)引入，并与阴极盖板(6)相绝缘。

在本实施例中，所述触发信号由自制高压脉冲发生器产生，其原理是市电经全桥整流成直流并给电容充电，电容通过igbt或mosfet等固态开关给脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出高压脉冲信号，通过绝缘套管(13)引入，并与阴极盖板(6)相绝缘。

在一个实施例中，所述触发单元(11)包括绝缘介质薄片(10)和触发电极(12)；

所述绝缘介质薄片(10)夹于两个触发电极(12)之间，并与两个触发电极(12)相接触。

在一个实施例中，所述触发单元(10)包括一根金属细针，细针的直径小于1mm。

在一个实施例中，参见图1，本实施例包括磁开关(1)和伪火花开关(2)。磁开关(1)由导线(3)绕制在环形磁芯(4)上构成。伪火花开关(2)的结构包括阳极盖板(5)、阴极盖板(6)、绝缘外壳(9)，位于绝缘外壳内部的空心阳极(7)和空心阴极(8)，以及触发单元(11)。磁开关(1)串联在伪火花开关(2)的阳极，绕线的匝数从以到若干不等且均匀分布，磁芯(4)的典型材料选用铁氧体和纳米晶。阳极盖板(5)、阴极盖板(6)和绝缘外壳(9)构成的密闭腔体内部压力为1～100pa。空心阳极(7)和空心阴极(8)的端面开有直径3～5mm的圆孔，且平行相对，间距为3～5mm。触发单元(11)布置在空心阴极(8)内部，且正对阴极圆孔；触发信号通过绝缘套管(13)引入，并与阴极盖板(6)绝缘的。触发单元(11)由绝缘介质薄片(10)和触发电极(12)组成。绝缘介质薄片(10)夹于两个触发电极(12)之间，并与二者紧密接触。

本实施例所述的磁延迟伪火花开关不同于一般的脉冲放电开关，磁开关(1)和伪火花开关(2)这两个主要部分的参数需相互配合。磁开关的伏秒积参数须达到一定的要求，足以使得伪火花开关导通过程中，电压跌落到很低值后，电流才开始大量流通。另外，触发单元(11)在工作时产生的放电形式为沿面放电，伪火花开关(2)在工作时产生的放电形式为空心阴极放电。

在一个实施例中，参见图2，本实施例包括磁开关(1)和伪火花开关(2)。磁开关(1)由导线(3)绕制在环形磁芯(4)上构成。伪火花开关(2)的结构包括阳极盖板(5)、阴极盖板(6)、绝缘外壳(9)，位于绝缘外壳内部的空心阳极(7)和空心阴极(8)，以及触发单元(10)。磁开关(1)串联在伪火花开关(2)的阳极，绕线的匝数从以到若干不等且均匀分布，磁芯(4)的典型材料选用铁氧体和纳米晶。阳极盖板(5)、阴极盖板(6)和绝缘外壳(9)构成的密闭腔体内部压力为1～100pa。空心阳极(7)和空心阴极(8)的端面开有直径3～5mm的圆孔，且平行相对，间距为3～smm。触发单元(10)布置在空心阴极(8)内部，且正对阴极圆孔；触发信号通过绝缘套管(11)引入，并与阴极盖板(6)绝缘的。触发单元(10)由一根金属细针构成，细针的直径小于1mm。

本实施例所述的磁延迟伪火花开关不同于一般的脉冲放电开关，磁开关(1)和伪火花开关(2)这两个主要部分的参数需相互配合。磁开关的伏秒积参数须达到一定的要求，足以使得伪火花开关导通过程中，电压跌落到很低值后，电流才开始大量流通。另外，触发单元(11)在工作时产生的放电形式为场致电子发射，伪火花开关(2)在工作时产生的放电形式为空心阴极放电。

在一个实施例中，参见图3，本实施例包括磁开关(1)和伪火花开关(2)。磁开关(1)由导线(3)绕制在环形磁芯(4)上构成。伪火花开关(2)的结构包括阳极盖板(5)、阴极盖板(6)、中间电极(9)、绝缘外壳(10)，位于绝缘外壳内部的空心阳极(7)和空心阴极(8)，以及触发单元(12)。磁开关(1)串联在伪火花开关(2)的阳极，绕线的匝数从以到若干不等且均匀分布，磁芯(4)的典型材料选用铁氧体和纳米晶。阳极盖板(5)、阴极盖板(6)和绝缘外壳(10)构成的密闭腔体内部压力为1～100pa。空心阳极(7)和空心阴极(8)的端面开有直径3～5mm的圆孔，且平行相对，间距为3～5mm。触发单元(12)布置在空心阴极(8)内部，且正对阴极圆孔；触发信号通过绝缘套管(14)引入，并与阴极盖板(6)绝缘的。触发单元(11)由绝缘介质薄片(11)和触发电极(13)组成。绝缘介质薄片(11)夹于两个触发电极(13)之间，并与二者紧密接触。

本实施例所述的磁延迟伪火花开关不同于一般的脉冲放电开关，磁开关(1)和伪火花开关(2)这两个主要部分的参数需相互配合。磁开关的伏秒积参数须达到一定的要求，足以使得伪火花开关导通过程中，电压跌落到很低值后，电流才开始大量流通。另外，触发单元(11)在工作时产生的放电形式为沿面放电，伪火花开关(2)在工作时产生的放电形式为空心阴极放电。中间电极(9)位于空心阳极(7)和空心阴极(8)之间，到两个电极间的距离相等，在3～5mm之间。中间电极(9)中心开有圆孔，直径与空心阳极(7)和空心阴极(8)所开圆孔直径相同，且三个小孔同轴线。中间电极(9)既可以悬浮电位运行，也可以通过电容电阻与阴极和阳极分压使用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替代；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术所述的精神范围。