应用于短脉冲直线型脉冲变压器的200kV气体火花开关设计及特性研究

模块化直线型脉冲变压器驱动源(称为Linear Transformer Driver,简称LTD)是近年发展起来的一种新型脉冲功率驱动源新技术,模块化LTD模块之间串、并联使用非常方便。近几年,LTD脉冲前沿已从开始的微秒量级减小到百纳秒量级,使得LTD有可能直接驱动高功率激光、微波、电子束、离子束二极管以及Z-Pinch等离子体辐射等负载。其中,初级放电开关是LTD的关键器件之一,要获得快前沿的电流脉冲,要求开关的电感尽可能小;由于LTD初级采用数十至上百路并联工作,多个开关同时动作,每只开关都要求低抖动,解决开关低电感低抖动是LTD获得短脉冲和同步触发的关键。 本文根据国内外模块化短脉冲LTD的最新进展和直接驱动负载的要求,研制适合于模块化快前沿LTD的±100kV,自感小于50nH的多级多通道气体火花开关。分析了影响火花开关电感和延时抖动的主要因素,总结了减小气体火花开关电感和延时抖动的方法;设计了一种绝缘子内抠槽平面支撑多级多通道开关中间电极的结构,解决了多电极开关中间电极固定时平行度和同轴度难以保证的问题;通过对开关的自击穿特性实验研究,表明电极在300℃高温烘烤20小时可以提高开关的自击穿电压及其稳定性;对开关欠压比、触发电压幅值、极性,隔离电阻大小对开关性能和稳定性的影响实验研究,表明通过提高开关工作欠压比、触发电压幅值和陡度可以减小开关的延时和抖动,开关在欠压比大于75%,触发电压大于70kV时,延时小于60ns,抖动小于4ns;采用短路放电的方法估算开关不同工作状态电感,研究了工作电压、触发电压对开关形成多通道的影响,研究表明开关随着工作电压和触发电压的升高开关电感减小,从自击穿时约46nH减小到最低约21nH,开关在触发条件下,工作电压越高,触发电压越高,越容易形成多通道;研制的多级多通道开关耐压±100kV,自感小于50nH,通流能力不小于50kA,已用于短脉冲LTD模块单元实验,LTD单元短路负载电流上升时间(10%～90%)约86ns,单个回路电感约270nH,满足短脉冲模块化LTD设计要求。