真空触发开关(TVS)的基本结构和工作过程

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连理工大学电气工程与应用电子技术系 作者:周正阳

         真空触发开关(Triggered Vacuum Switch,TVS),又称真空触发间隙,是在真空间隙和触发火花隙技术的基础上发展起来的。它具有结构紧凑、介质恢复迅速、操作无噪声、工作可靠性高、环境适应性强等优点,因而在高功率脉冲技术方面得到了广泛应用。

         TVS的研究始于上世纪六十年代,美国通用电气公司的Lafferty等人,对TVS,特别是涂敷氢化物作触发材料的TVS 做了大量的研究。七十年代,印度一些学者对绝缘介质和半导体涂层作为触发材料的TVS,做了大量的实验。后来,TVS 在高功率脉冲技术和高电压大电流快速关合领域的应用,进一步促进了TVS 的发展。目前,TVS的最高工作电压可达100kV,最大工作电流可达200 kA,最高重复频率在1 kHz 以上,最长使用寿命达108次。

         根据触发机理不同,TVS可以分为两大类:沿面型TVS 和场击穿型TVS。两者的区别主要是沿面型TVS在触发小孔填充陶瓷或半导体材料,在此之上再涂敷一层触发材料,譬如TiH2;而场击穿型TVS的触发小孔是没有任何填充剂的,所以只在触发极和主电极表面涂敷触发材料。

TVS 基本结构

         TVS 的基本结构以及样品如图1、2 所示,它主要包括一个绝缘外壳(陶瓷或玻璃材料)、一个金属屏蔽罩、一对相距为d的主电极和一个触发极,管内真空度一般维持在1.33×10-4 Pa 左右。绝缘外壳保证内部真空度,同时起绝缘和支撑作用;金属屏蔽罩可以调整TVS内部的电场分布,并且防止燃弧时金属蒸气和触发材料沉积在绝缘壳体的内表面,导致壳体内表面的绝缘强度降低;主电极传导大电流,其结构设计对TVS的性能有重要的影响;触发极连接外来触发源,产生初始等离子体。触发极及其所在主电极表面涂了一层直径约20 mm 的TiH2。TVS 样品实际结构参数如表1。

表1 TVS 样品的结构参数

真空触发开关(TVS)的基本结构和工作过程 

TVS 的工作过程

          TVS 的工作过程通常包括两个主要阶段,即触发阶段和主间隙导通阶段。触发阶段为主间隙提供初始等离子体。作为场击穿型TVS,初始等离子体由发针的尖端放电,燃烧触发材料,产生大量等离子体,并扩散进入主间隙。在主间隙电场的作用下,带电粒子首先引发辉光放电,随着电流密度的迅速增加,辉光放电转变为弧光放电,建立起金属蒸气电弧,主间隙导通。当主间隙放电电流过零时,开关断开。

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