真空触发开关(TVS)的触发系统概述

         真空触发开关TVS（Trggered Vacuum Suitch）是高功率脉冲技术领域的重要开关器件之一，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，在中压领域具有广泛的应用前景。针对场击穿型TVS触发比较困难的特点，在触头表面涂敷TiH2材料，利用TiH2的脱氢产生大量的初始等离子体，可以有效地降低触发电压，提高触发可靠性。

         触发针的主要材料为钨，它具有沸点高、耐烧蚀、阴极斑点电流大的特点。从宏观上看，触发针和阴极间留有0.5 mm 的真空小间隙，正是触发脉冲的放电通道。从微观上看，涂敷TiH2 材料的触发针表面是凹凸不平的，并且有许多微小尖峰存在。因此，当触发针引入高压脉冲时，电场将集中于某些尖峰的端部，在端部形成极高的电场，引起电子发射。尽管电子电流很小，由于尖峰的截面积极小，约为10- 8 mm2，所以电流密度可达105~106 A/mm2。当发射电流流过这些尖峰时，会使它们发热，导致TiH2 迅速分解，挥发出氢气。当电子穿过蒸气云时，使气体原子电离而引起击穿，从而产生大量的初始等离子体，迅速接通TVS正负极。所以，场致发射是触发针尖端放电的原因，同时也是场击穿型TVS 被触发的原因。

         图3 脉冲回路采用高压击穿能量续流的办法触发TVS。T2 利用彩电高压包JVC7697，产生一个正高压脉冲，其突出特点是上升前沿陡峭，振荡小，并且维持高压时间比较长。试验时T1 前接自耦调压器，连续调节充电电压，改变输出脉冲峰值和续流能量。

         图4 是相应的控制信号电路，利用光纤隔离高压回路对信号回路的干扰，最后输出2.4 V 可控硅控制信号。当C1=C2=1000 μF、充电至150 V 时，回路输出脉冲峰值在22 kV，续流能量达9J 左右，有效地开通TVS。图5 是空载触发脉冲，信道2 是5 V 控制信号，信道1 是输出的22 kV 高压正脉冲。所使用的测量工具是TEKTDS210 数字存储示波器，配型号为P6015A的高压探头。

图4 控制信号电路

         触发极击穿的过程产生大量初始等离子体，这是能否成功导通TVS 的关键。而影响真空击穿过程的因素很多，譬如触发针几何形状和大小、间隙的大小、材料、老炼作用、操作条件和真空度等。这里主要考虑两个因素，材料和间隙。主电极材料以铜为主，已知铜的绝缘强度42 kV/mm，小间隙0.5 mm，所以为有效触发TVS，触发脉冲电压峰值应不低于21 kV。因为表面涂敷的TiH2作用，实际的触发电压比理论上的要小。试验结果TVS 样品成功导通的触发脉冲电压峰值在19kV 左右，如图6。

         试验回路采用的是LC 振荡电路。TVS 按照正极性接线方式，即带触发极的主电极接地，而另外的主电极接试验回路中电容的正极。触发针接触发系统的输出，正脉冲触发方式。试验结果表明，该触发系统触发成功率高，所做的22次试验全部成功，而且系统延时分散性小，控制在40 μs 左右（观察图6 两个波形的下降沿之间的时间差）。试验统计结果如表2，可知触发系统延时集中在38~ 41 μs，最大误差不超过5 μs。

表2 触发系统延时及其分散性

         试验过程中发现，短时间内连续做开通试验，开始的几次试验延时时间稍长，后来延时时间稍短。由于前几次TVS 导通，产生大量的氢气，短时间内不能被钛完全重新吸收，导致TVS 内部真空度下降，触发极击穿更加容易。时间稍长一些，残余的氢气被钛完全吸收，最终恢复到原先的真空状态。

           如果在没有涂敷触发材料的前提下，TVS 的触发就更难，同样的触发系统，需要30kV 左右的触发脉冲。所以，涂敷TiH2 能够有效地降低TVS的触发电压，提高TVS 的触发可靠性。而且，系统延时分散性较小，为TVS 的串并联使用提供了条件，进一步提高TVS 的耐压和通流能力。