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脉冲电源开关设备 - 概述
由约翰·Pasley
24/9/96
版权所有John Pasley 1996。本文件可以通过。任何方法的部分或全部，但必须包括作者的姓名和正确的归属。
还必须包含所列出的参考文献和免责声明。
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1.0:介绍
在进入审议我们关注的各个设备之前，也可以解释一些相关技术/术语。
1.1交换基础知识和术语
开关可能是电子领域中最基本的设备。开关控制电路中电流的流动，使电流按与其串联的其他元件确定的值流动，或完全不流动，视情况而定。然而，这种理想的行为实际上在现实生活中并不完全一样。一个开关有它自己的参数来决定它从开路切换到关闭的速度，或者一旦电流被打开，它能多快地中断电流。当然，还有一些更基本的考虑因素，如开关的当前处理能力和在损坏或其他有害影响发生之前它可以应对的峰值电压。
在家中常见的机械开关实际上远非理想的行为。从关断到ON（换向时间）所需的时间通常在毫秒范围内。在操作者被操作者物理操纵的过程中，开关从开口迅速波动，可以发生诸如弹跳的杂散效果。
电磁继电器和簧片开关遇到的问题与普通电灯开关类似。长换向和开关跳变是几乎所有机械开关设备的标准特性。
随着晶体管的出现和诸如晶闸管的类似装置，可以认为这些缓慢的切换问题是过去的事情。这实际上是很大程度上。但是半导体以其他方式有限，很难找到能够切换数量多的半导体，特别是在千伏区域的电位上，以及可以管理诸如较大的晶闸管的高电流的装置被过度高的换向次数。虽然现在已经进入市场的半导体，但在电流和电压下的这些极端的市场上，甚至有一些要求将这些设备放在耻辱。如果您想在20kV依靠半导体技术将遇到麻烦的20公斤安培。然而，在谦逊的晶体管来到场景之前，存在一类左右的替代方案。您可能认为真空管和类似的是过去的东西。但是对于这种额度的问题，他们是市场上唯一会做这项工作的东西。
1.2真空和气体填充切换管，引入和术语
有许多不同类型的真空管存在，但它是可能的组管根据一些相当基本的标准。有两个主要的区别特征，器件内的自由电子来源和管壳内的气体填充(或缺乏它)。这两个概念中的后一个我们已经通过暗示介绍过了。真空管是一种用真空(极低压气体)填充的装置。一个充满气体的装置，正如它的名字所暗示的那样，充满的气体的压强可能高于或低于大气压强。使用的气体类型也是一个重要的特点，特别是在遇到各种各样的填料的开关管中。
装置中的自由传导电子的源极可以是热的热丝，例如与装置的阴极物理相关 - 热阴极，或者可选地，在该装置上的高压梯度的简单后果，导致自动化阴极。采用该后一种方法的装置称为冷阴极装置。在高压切换的高电压下，因此设备内大电压梯度的可能性意味着冷阴极系统，在大多数其他类型的管中相当罕见，是规范而不是异常。
气态切换管中遇到的其他重要术语：
延迟时间
延迟时间是触发脉冲的应用与主电极之间的传导开始之间采取的时间。
抖动
抖动是在相同的电刺激下，从一个镜头到另一个镜头的时间延迟的变化。
换向时间
换向时间是一旦开始，传导就会达到最大值。（即，从延迟时间结束到最大导通水平的时间。）
应该指出的是，我们即将考虑的任何开关管都非常像旧收音机背面的东西。许多很大，一些特别之处。玻璃在大量给较高动力装置中主要给予陶瓷。Before you go down your local electronics shop or radio shack it should also be pointed out that many of these devices besides costing $100’s (often $1000’s) a piece, and are also largely unavailable to the general public due to their application in advanced missile and nuclear weapon technologies. Of these devices the most ‘everyday’ is the ignitron which finds much application in industrial welding situations.
本文考虑了下列装置:
2.0真空和气态状态切换设备
通过在气态介质中引导电弧处理来切换该部分中的大多数器件。我已经包含在触发的火花隙部分中，提到了实际使用液体材料的液体材料或固体替代品的设备，这是触发的火花间隙中的标准。
实际上，弧的形成过程在物理上是相当复杂的，不会深入研究。任何人谁希望更深入地研究这方面的设备操作可以联系作者的一些建议，以适合使用的教科书在这样的研究。
2.1冷阴极切换管介绍。
冷阴极触发管是物理小型器件，设计用于切换脉冲电流和相对较小振幅的电压。通常他们是目的，因为他们的名字表明，触发其他较大的设备。
通常，冷阴极触发管设计为切换几百伏特和几百毫安的脉冲。大多数触发管具有三个或四个电极，阳极，阴极（分别），触发/控制电极，有时是引发电极。
触发管以非常简单的方式执行，类似于触发的火花隙的这种情况，除了通常导通不是通过电弧而不是发光放电。当存在以下所有因素时，启动发光放电：
- 在该装置上存在足够高的电压（阳极和阴极之间）
- 触发电极存在足够幅度的触发脉冲。
- 管中的气体灌注。
冷阴极触发管依靠一些外部或内部的源来电离适合于开始传导的气体(这被称为启动)。这意味着在理论上，当一些自然源的电离辐射将气体电离(形成等离子体)，从而导致传导开始时，在适当的触发电压应用到设备的适当末端后，这些管只会在一分钟左右切换。
触发基本上是随机的 - 即使在显然相似的环境中，它也会受到巨大的统计变化。一些装置包括适当电离的源，以便在触发器施加时减少最大可能的时间延迟。该来源可以是某种形式或其他形式的电子，放射性或光子源。然而，即使是标准商业设备常常在阳光和黑暗中触发的设备之间经常显示大的变化（高达和高于不同的数量级），例如，标准商业管Z900T例如在日光下显示20US延迟和黑暗中的250us延迟。
2.2的Krytron
Krytrons是一种高度专业化的冷阴极触发管。他们是美国公司公司开发的首批产品之一，例如＆g。Krytron具有4个电极，并在低压下填充气体。由于各种原因，在冷阴极触发管中区分krytron。
Krytron设计用于在电弧放电模式下将适度的高脉冲电流（最多约3kA）和电压（最多约5kV）进行比较，并将其与标准触发管的常用放电进行比较。而且，也许更重要的是，克瑞隆能够非常迅速地开启该电弧放电，原因是它依赖于已经存在的等离子体来支撑导通，而不是等待由于引发而形成的等离子体形成通过保持活电极和器件的阴极之间的保持活电流产生和维持该等离子体。当在高阳极的条件下施加触发到阴极电压时，该等离子体形成阳极和阴极之间的主要传导的容易路径。
与标准冷阴极触发管相比，已经在触发之前已经建立了传导路径的事实在这些设备的换向时间内产生巨大差异。低于1纳秒的换向次数可实现krytrons和触发器的应用之间的时间滞后，并且开关的开始可能小于30ns，具有优化的驱动器电路。（注意此延迟主要是由于电离路径需要从保持活塞的阳极传播到装置的阳极的事实，比较了在标准触发管中看到的延迟时间，这取决于许多环境因素和通常，大小为3或4个数量级。注意，Krytron展示的时间延迟的变化几乎完全独立于环境，但是时间延迟可以减少到具有较大触发电压的点。同样，如果触发脉冲的上升时间也降低，通常会降低换向时间。鉴于相同的触发脉冲然而，krytron将具有从一个拍摄到下一个拍摄的时间延迟。这种变化被称为抖动，并且在最佳情况下可能小于5ns。
一个氪包含一个辐射源，Ni-63。每个设备中的含量小于5微居里，不存在明显的危害。通常，电源是脉冲焊接到一片镍丝，这是依次焊接到一个电极支持。该源的目的是通过协助在保持活性和阴极之间形成初始辉光放电来提高氪的可靠性。这一初始保持电流非常受环境因素的影响，如在标准触发管辉光放电的形成中看到的。正是由于这个原因，使用了放射性引爆元素，就像在标准触发管中使用的引爆源(偶尔也是一个放射性来源)一样。
氪通常装在一个小的玻璃外壳里，有点像霓虹灯灯，有更多的引线。
氪需要一个高电压脉冲(500V到2kV)被应用到触发电极成功点火。这个脉冲几乎总是由一个脉冲变压器产生，由一个初级电容放电触发(而不是像一个简单的频闪管触发电路)。
如果定期使用（通常是几百次拍摄）使用，krytron通常只有短暂的寿命（通常很少），但是当在适当的参数中使用，并且在预期的寿命中使用它们非常可靠，不需要热身并免于免疫many environmental factors to a large extent (e.g. vibration, temperature, acceleration).
这些属性与小尺寸相结合，使Krytron适用于某些类型导弹和智能炸弹的引爆电路。krytron可以直接用于射击高精度爆炸线，或者作为用于触发火花隙或类似的超高电流触发装置的触发电路的一部分，如用于爆炸箔片型雷管和更大的EBW电路。
Krytrons用于某些激光器和闪光管的烧制电路以及一些脉冲焊接应用，通常作为触发器件，用于其他较大的设备，例如Thyratrons和火花间隙。
2.3斯普里龙
诸如被称为真空krytron的斯普里仑是对krytron非常相似的性能的装置。虽然它通常在触发后呈现稍微较低的时间延迟。斯普里仑设计用于环境中的使用量高辐射。与krytron不同，斯普里仑是一种硬真空的填充装置，如上所述，所以如上所述含有低压气体。
斯普里龙只有三个引线（没有保持活力），但在krytron外面的施工中是非常相似的。使用真空填充的原因几乎肯定肯定没有存在来自外部环境的辐射以电离的介质（这种电离可以促进杂散的触发效果。）
Sprytron需要比Krytron更强大的触发脉冲，因为该设备的工作原理是在触发器和阴极之间直接形成电弧，通过破坏阳极和阴极之间的磁场，导致电子管击穿(进入传导)。
斯普里龙以类似的方式触发到krytron，但如上所述，需要更高的能量触发脉冲，因此更强大的触发变压器等。例如，更强大的触发变压器等使触发变压器优化用于各种管子，并且还制作名为Krytron-PAC的设备将燃气填充的Krytron和触发变压器夹住在一个外壳中。
最后一点。值得注意的是，在应用电路（参考文献1和4）中，斯普里仑始终显示直接切换负载（爆炸桥电线。），并且始终示出krytron触发诸如触发火花隙的辅助设备。
2.4 Thyratrons.
Thyratrons有几种品种。所有工作类似地与Emircredardiond晶闸管，一个差异是在许多设计中（氢叔雷罗朗是一个常见的例外），栅极必须在关闭状态下偏置高度负，然后偏置正为实现切换。与晶闸管一样，胸衣像锁定开关一样操作，即。一旦将它们打开，您只能通过将电源切割到主电路时关闭。汞填充的Thyratrons是最慢的，最有用的类型，并且比其他类型更受限制，主要是由于汞冷凝的问题。它们很少使用，因为它们的晶闸管很少。氢叔雷罗朗斯比晶体管更快的开关更快。有些人可以在20ns下实现换向。与汞填充装置相比，惰性气体填充往往提供卓越的性能，而无需匹配填充器件的速度。
注意，氢填充装置采用热阴极。
与我们所看到的其他设备相比，迁移的实际物理施工/操作非常杂起，并且不会尝试解释它的操作。建议读者咨询各种书籍作为采用不同填充的设备，或者电极加热方法无用。尤其重要的是考虑此处的所有这些变化，因为这仅仅是这些设备的概述，而不是旨在成为主题上的最终词。然而，为了区分Thyratron形式的其他类似装置并至少在这里至少一些物理方式定义它，因此Frungel的（Ref.4）定义：
“通过术语”蜂王龙“是指排出室，其布置在阴极，一个或多个栅极和阳极，并且填充有惰性气体或金属蒸汽。'
一些Thyratrons可以处理多达50kV（双间隙类型）切换数千个温度，并处理非常高的功率输出（例如，CX 1154可以处理40mW的峰值功率）。典型的应用是雷达脉冲调制器，粒子加速器，激光器和高压医疗设备。另一种替代品种含有氘。这些氘填充装置类似于它们的氢填充的对应物，但是氘的火花电位较高，从而允许处理更高的电压。
例如。E3213可以切换70kV（双间隙类型）。遇到具有陶瓷和金属体的专家Thyratrons。这些设计用于极端环境条件。在Thyratrons中有各种各样的网格配置，在这里考虑它们是不切实际的。Thyratrons的制造商包括Eg＆G，GEC，英式电动阀门有限公司M-O阀门有限公司。Ltd. Big Thyratrons经常要求您获得一个充满驱动程序/控制电路的大盒子。价格从几美元变为数千美元。遇到冷热阴极型器件。
注意这些评级是除了Thyratron设备中的规则，设计用于亚千伏电压的装置，并且仅能够处理几十只AMPS脉冲的脉冲是足够的。
Thyratrons通常以小的多针基础封装，如在其他真空管中常见，或者在较高电流器件的情况下具有Hefty端部连接器的大管状封装。
2.5过电压火花隙
过电压火花隙基本上只是两个电极，之间的间隙。当两个电极之间的电压超过气体的击穿电压时，器件弧形并非常快速地建立电流。在这些器件中发生电弧的电压由动态击穿电压给出，该电压是设备将用于快速上升脉冲电压的电压。注意，该电压可以高于静态击穿电压的1.5倍（用于缓慢上升电压的击穿电压。）实际击穿电压的静态击穿电压将几乎完全取决于电压的快速效果。上升，较短的上升时间意味着更高的击穿电压。这些设备的换向次数特别低（有时小于1NAnosecond）。
过压空隙主要用于保护。但与此处提到的其他装置相结合，它们通常用于锐化非常高电流脉冲的输出脉冲（减小升高时间）触发的开关器件。Thyratrons。
这些设备的大小几乎完全依赖于他们的目的是多少电流/电压开关,实际上是没有限制的,这些设备的大小可以krytrons一样小,但它们也可以很大,马和设备用于开关将。
2.6触发火花隙
触发火花间隙是一种简单的装置，将高压触发脉冲施加到触发电极上，在阳极和阴极之间触发电弧。该触发脉冲可在器件内以各种方式用来启动主放电。不同的火花间隙被设计成采用一种特殊的方法来创建主阳极到阴极放电。不同的方法领域如下……
触发火花隙电极配置：
- 场失真：三个电极;采用在创建导电路径中的点放电（实际上尖锐的边缘）效应
- 辐照：三个电极;火花源在阳极和阴极之间激发电子的照明等离子体。
- 摆动级联:三电极;触发电极更靠近一个主电极。
- 中间平面：三个电极;基本触发火花隙与触发电极集中定位。
- Trigatron：触发到一个电极电流形成等离子体，这些等离子体延伸以包括阳极和阴极之间的路径。
触发的火花隙可能填充有各种各样的材料，最常见的是......
- 空气
- SF6气体
- arg
- 氧气
通常采用上述材料的混合物。然而，一些火花间隙实际上采用液体甚至是固体介质填充物。坚固的填充器件通常设计用于单次使用（它们仅使用一次，然后它们被销毁）设计了一些固体填充器件，用于切换10TW（100000000 000瓦）的功率，例如在极其强大的电容库放电中遇到的。除了在固体填充装置的情况下（显然），介质通常会通过火花隙泵送。一些较小的间隙不使用此系统。
通常，气体填充的火花喘气在20-100kV / 20到100ka范围内运行，但可提供更高的功率设备。我有一个规格的麦克斯韦尔填充装置，可以处理3 ma - 这是300万安培！但那么这是一辆小型车的大小！更常见的气体填充装置具有几英寸的尺寸。套餐通常像大型冰冰盘，也可以看到类似结构的双管，管状和盒子。
SparkGAP通常设计用于某个外部环境（例如，它们可能浸入油中）。有时可以包括用于将介质发送到适当部分的系统。使用的常见环境是：
- 空气
- SF6气体
- 油
典型火花间隙装置号。有:TG7、TG113、tg114等。
反复的重放电会损坏火花间隙。这是如此高的放电电流不可避免的结果。电极点蚀是最常见的损伤形式。在损坏开始严重降低性能之前，每台设备1到1万次的射击通常是允许的。
EG＆G使微型触发的火花间隙专为防御应用而设计。这些器件的物理上小于正常火花间隙（少厘米典型的尺寸），设计用于爆炸箔片型雷管。
激光切换火花间隙。切换触发火花隙的最快方法是具有强烈的激光脉冲，其在电极之间产生极其快速的等离子体。采用这种方法已经有很多设计，主要是在等离子研究区域。
触发的火花隙往往比Thyratrons（他们的主要竞争对手，至少在较低的能量下）具有长时间的延迟时间，但是一旦导通开始，它就会出现迅速地达到峰值（几个纳秒换向。）
2.7 Ignitrons.
点火装置是水银蒸汽整流器，其中电弧在(通常是石墨)阳极和汞池阴极之间切换。放电是由一个点燃电极，它浸入汞池阴极。
在施加适用于该点火器的适当的脉冲电流/电压，在点火器与池接触的点处形成电子发射源。这引发了阳极和阴极之间的电弧。
重要的是，应正确触发点火器。点火器需要一定的能量来成功点火，并且在相对于时间的电流和电压方面也是“点火器特征”应用这种能量。否则会出现误兵或点火器损坏。对于阴极的反射器销毁没有显着的负电压也应该出现在点火器中，这也是至关重要的，这将是不可避免的结果。
触发器可以偏置两种主要方式：
阳极激励:电阻焊接应用中常见的阳极偏压通过开关(晶闸管，闸流管等)和电阻/保险丝网络连接到点火器。点火电流迅速下降，因为阳极-阴极电压下降非常低的传导。
单独激励:顾名思义，这里的点火器电路在很大程度上独立于主电路。
Iggitron通常与AC电源控制应用并行使用。
点火元件在连续使用时必须经常冷却。一般采用水冷却。这是至关重要的点火器必须在正确的温度范围内使用热或冷可能是非常坏的消息，对这些设备-(冷导致汞蒸气在阳极上冷凝)。
Ignitrons非常有限，关于它们的物理取向。这是简单的，它们依赖于设备一端的液体池必须正确地定位点火器可以正确地运行。定位装置，使其从垂直致命的2或3度的角度倾斜。
大多数叉子在5安培和100ka之间的大多数电流运行，并且可能适用于从几百到20 000伏的电压。
闸流管和氪管有时与常见的晶闸管一起用于点火器触发电路。
Ignitrons适用于应用的是高电压或电流的功率控制。焊接可能是最常见的应用。
3.0固态设备
(注意这部分可能相当可观
扩展后的进一步研究由作者。)
现在市场上有一些商业晶体管，可以切换数十只KV。还有一些晶体管，可以处理5ka以上的脉冲电流。这些设备可以在电气性能方面匹配ExplateKrytrons和Sprytrons，但不是在尺寸和（在斯普里仑的情况下）辐射硬度。
晶闸管广泛应用，设计可以在几kV下处理10ka脉冲。然而，它们是非常慢的开关装置，并且不能实现甚至低微秒的切换速度。
一种新型设备目前在研发部门显示出巨大的前景。这些器件是采用砷化镓或金刚石薄膜技术的光学(通常是激光)开关器件。建议读者这样做
有关这些设备的更多信息，请参阅下面适当的参考资料。
读者的最终注意事项：
由于其军事应用，我提到的一些设备受到严格的控制。然而，以任何方式限制或控制的非上述信息。对于受双重使用指南限制的清晰性切换设备如下:(礼貌橡木凭证国家实验室）
（a）冷阴极管（包括气体krytron管和真空旋风管），无论是气体填充的，是否填充到火花隙，含有三个或更多个电极，并具有以下所有特征：
- 阳极峰值额定电压2500v以上;
- 阳极峰值电流为100个或更大;
- 阳极延迟时间为10微秒或更少;和
（b）触发的火花间隙具有15微秒或更小的阳极延迟时间，额定电流为500°或更大;
（c）模块或组件具有快速切换功能，具有以下所有特征：
- 阳极额定峰值电压大于2000 V;
- 阳极峰值电流等级为500个或更大;和
- 开机时间为1微秒或更短。
确认:
我要感谢以下的帮助和帮助：
Carey Sublette为提供大量的帮助和鼓励。
Roy Schmaus为此信息提供原始网站。
参考文献:(按标题字母顺序排列)
例如和G目录/材料。（RE：组件）
2)爆丝现象第四届会议论文集第4卷。蔡斯和摩尔-全会出版社(RE: EBW)
3）高功率光学激活的固态开关，
编辑Rosen和Zutavern- Artech House (RE:固态设备)
4)《高速脉冲技术》作者:Frank Frungel -Academic Press。(RE: EBW’s, FCG’s, components)
5)《高速碰撞现象》，科学出版社。(RE:箔骚娘们)
IEEE出版物(详情请联系作者)。
Maxwell目录。（RE：火花隙）
8）Mullard阀门和管书2第3部分（RE：组件）
有关主题的进一步信息将受到作者的欢迎。
关于作者的信息:我不是上述任何技术的专家，我欢迎任何更正。然而，请任何提供信息的人也提供他们所提供的材料或关于他们自己的参考，以便他们的贡献可能得到应有的重视。
任何想要与我联系（作者）的人，无论何种原因都应该邮寄：
约翰帕斯利
免责声明：我提交人对任何伤害/杀死自己试图实施上述技术的人都不承担任何责任。
高电压通常是非常危险的，并且上面的任何一个都不是或不应该用来提供正确的程序指导，以建设或建设任何描述的高压电路。这里用高压来描述任何可能导致死亡的电压，即高于50V的电压。
