场畸变型气体开关高重复频率运行特性研究

关浩玉，洪龙琨，刘志刚，李雨泰，邹晓兵，王新新，王 鹏

(清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

近年来，基于气体开关的重复频率纳秒脉冲电源已成为国内外的研究热点之一。重复频率纳秒脉冲源可由气体开关或半导体开关控制充放电，开关的工作特性直接决定了纳秒脉冲的参数。一方面，气体开关结构简单，单个开关能承受的电压和电流大；而半导体开关需多个器件串并联来提高整体的工作电压和电流。另一方面，气体开关的导通十分迅速，而半导体开关的导通时间限制了脉冲的上升速度[1-2]。因此，高功率快前沿的重复频率脉冲源主要采用气体开关，但由于受到气体绝缘恢复的限制，其重复频率不高，很难超过1 kHz。研究人员对此开展了大量研究，提出了多种提高气体开关重复频率的方法，如增大气压[3-5]、选择合适的绝缘气体[6-9]、吹气[7，10-11]及工作在欠电压状态[9]等。其中，吹气方式最简单有效。在欠电压状态时，气体开关的结构可设计成三电极场畸变型[12]。在脉冲功率装置中，场畸变型开关有重要应用，但一般工作在单次放电或几赫至几十赫的重复频率工况下，高频运行特性的研究很少。本文研究场畸变型气体开关在百赫至千赫范围的高重复频率运行特性，期望能使其工作在更高的重复频率下。

2005年，中国工程物理研究院罗敏等[13]研制了兆伏级吹气式三电极气体开关系统，对开关间隙吹气以加快击穿后的绝缘恢复，重复频率最高达100 Hz。2021年，清华大学李雨泰等[14]测试了基于吹气式两电极自击穿气体开关的纳秒脉冲电源，最高重复频率超过1.5 kHz，吹气风速越快，重复频率就越高。

本文组建了一个基于三电极场畸变型气体开关的重复频率纳秒脉冲电源，通过对比实验分别研究电触发和吹气对场畸变型气体开关工作特性的影响。首先让开关工作在自击穿模式，探究其在极低频和最高重复频率下的工作特性。然后给开关施加电触发，分别在吹气和不吹气的情况下得到不同触发频率下的输出结果。研究结果表明，采取外加电触发和吹气可提高气体开关的重复频率，改善电源的输出特性。

1 实验装置

图1为实验装置原理图。本文所用的重复频率纳秒脉冲电源的高压直流电源采用泰思曼TD2202，最大输出电压为50 kV，源内限流电阻的大小由电源的限流值来决定，外接限流电阻R1为1 MΩ，脉冲形成线采用波阻抗为50 Ω、长度为8 m的高压电缆，使用50 Ω的高压大功率电阻作为匹配负载R2，负载电压使用Tektronix的P6015A型号高压探头接入DSO9254A数字示波器进行测量记录，如图1(a)所示。实验中通过调节高压直流电源的输出电压和电流来控制脉冲形成线的充电速度，进而控制开关的工作频率。待测气体开关为场畸变型，如图1(b)所示。整体采用同轴式结构以减小回路电感，高低压半球形电极间的距离为1 cm。触发极为楔形圆盘结构，位于上下半球形主电极的中间，触发脉冲通过套管从外部引入。触发极中心设置有通孔，内圆和外圆的边缘都为圆角，以避免产生严重的电场畸变。电极到金属外壳之间采用锯齿形绝缘结构，以防沿面闪络。分压电阻R3=R4=50 MΩ，为触发极提供静态偏置电位，使触发前电极间隙电场近似均匀。场畸变开关的触发电路原理如图1(c)所示，高压触发脉冲通过耦合电容C2传到气体开关的触发极上，C2=1 000 pF。经测试，此触发电路能产生峰值至少为-10 kV、脉宽为80 μs、重复频率为0～1.8 kHz可调的负极性触发脉冲，波形如图1(d)所示。

(a) Repetition frequency nanosecond pulse power supply

(b) Field distortion gas switch

(c) Trigger circuit of the switch

(d) The waveform of a single trigger pulse

重复频率纳秒脉冲电源的工作原理为：高压直流电源给脉冲形成线充电至某一电压U0时，气体开关击穿导通，脉冲形成线对匹配负载放电，通过波过程可得到幅值约为U0/2、脉宽为80 ns的准方波脉冲。脉冲形成线能量释放完毕后，气体绝缘恢复实现关断，下一次充电开始，从而在负载上得到重复的脉冲序列。

2 实验结果

2.1 两电极自击穿气体开关的工作特性

将气体开关的触发极去掉，变为两电极自击穿气体开关。图2为自击穿气体开关在极低频工作时的输出波形。把高压直流电源的电流调至最小，使气体开关工作在极低频下，测得负载上的单个纳秒脉冲波形如图2(a)中的蓝色曲线所示。由图2(a)可见，开关的静态击穿电压为30 kV，输出脉冲的波形近似方波，平坦处幅值约为15 kV，脉冲宽度约为80 ns。电压波形前端存在超过15 kV的过冲，可能是由于负载存在寄生电感。为测量方便，输出电压的大小都用脉冲峰值来表示。考虑到气体的击穿电压及输出电压有一定的分散性，测量极低频下5个输出脉冲的峰值，分别为20.94，21.98，18.02，21.68，21.72 kV，平均输出电压为20.87 kV。实验中发现，输出波形中每一个幅值明显较高的主脉冲后面都会紧跟着几个低幅值的小脉冲。这是由于气体开关在击穿一次之后的短时间内，耐受电压很低，而同时脉冲形成线开始充电，气体开关又多次在极低电压下击穿，如图2(b)所示。本文设定主脉冲为气体开关的有效击穿，小脉冲是无效击穿，不予考虑。定义单位时间内主脉冲的个数为重复频率。

(a) Single nanosecond pulse waveform

(b) Multiple low-voltage breakdown after a single breakdown

主脉冲的峰值超过极低频下所测最小值的80%就表示气体开关的绝缘恢复了80%以上，此种情况下，自击穿气体开关以最高重复频率工作时的输出波形如图3所示。由图3可见，最高重复频率约为260 Hz。如果继续增大脉冲形成线的充电速度，则气体开关的低电压击穿次数更多，重复频率降低，绝缘一直无法恢复时，还易在两极间形成稳定的电弧通道，无法再输出纳秒脉冲。因此，脉冲形成线的充电速度不能无限增大，自击穿气体开关工作的重复频率存在上限。

图3 自击穿气体开关以最高重复频率工作时的输出波形Fig.3 Output waveform for the self breakdown gas switch operating at the highest repetition frequency

2.2 电触发下场畸变型气体开关的工作特性

通过触发电路给场畸变型气体开关施加电触发脉冲，气体开关靠外触发击穿，重复频率受触发控制。实验中，调节电源的限流来改变脉冲形成线的充电速度，使气体开关在每次触发脉冲到来时都击穿，且没有触发脉冲时尽量不击穿。重复频率为50，500 Hz时，负载的输出波形如图4所示。

(a) 50 Hz

(b) 500 Hz

由图4可见，当重复频率较低(50 Hz)时，会输出小脉冲，当重复频率较高(500 Hz)时，小脉冲消失。对比发现，施加电触发后的输出电压比不加触发时低，即欠电压工作，绝缘更易恢复，所以不易输出小脉冲。将同一重复频率下多个输出脉冲的峰值取平均值，得到纳秒脉冲电源的平均输出电压随重复频率的变化关系，如图5所示。由图5可见，施加电触发后，欠压工作状态下，气体开关的重复频率大大提高，最高可达1.8 kHz，此时欠压比为0.6。从总体趋势上来看，随着重复频率的提高，输出电压的平均值在降低，这是因为脉冲形成线的充电电压降低。

图5 纳秒脉冲电源的平均输出电压随重复频率的变化关系Fig.5 Average output voltage vs. repetition frequency of the nanosecond pulse power supply

比较图3和图5可见，施加较高重复频率触发脉冲时，输出电压可降至不加触发时的40%。为研究在低欠压比下开关仍能击穿的原因，在电触发重复频率为100 Hz的条件下，同时测量开关电极和负载上的电压波形，如图6所示。由图6可见，在充电过程中，触发极的电压上升很慢，总电压几乎全部落在上半间隙，所以，总体的自击穿电压减半，触发击穿电压小于自击穿电压，输出电压就更小。

场畸变型气体开关间隙未击穿时的等效电路模型如图7所示。由图7可见：在直流或低频下，电容的影响很小，与间隙并联的分压电阻能有效地将触发极的电位置于总电压的一半；在高频时，与分压电阻相比，电容的容抗不可忽略，电容分压在很大程度上决定了上下间隙的分压。气体开关刚开始充电时，电压上升很快，频率很高，由于上下间隙电容大小不相等，C1小于C2，所以触发极的电压小于总电压的一半。

图6 电触发下气体开关电极和负载上的电压波形(重复频率100 Hz、不吹气)Fig.6 Voltage waveforms of electrode of gas switch under triggering (the repetition frequency is 100 Hz, no blowing)

图7 场畸变型气体开关间隙未击穿时的等效电路模型Fig.7 Equivalent circuit model without breakdown of the field distortion gas switch gap

造成下半间隙的电容大于上半间隙的因素有：一是气体开关本身的结构，金属外壳接地使间隙电场分布不对称，拉低了触发极的电位，触发极和两个主电极之间分别构成大小相等的电容，而金属外壳和触发极之间也有分布电容，这个分布电容并联在触发极和地之间。经计算，高压电极和触发极之间的等效电容为几皮法，触发极和地之间的等效电容为几十皮法；二是触发电路中变压器副边侧串联的耦合电容，电容为1 000 pF，影响很大，在充电过程中并联在触发极和地之间。为验证1 000 pF电容的影响，用Simulink对气体开关的充电过程进行简单的仿真，仿真结果如图8所示。由图8可见，在前0.01 s内，波形与图6的实验结果大致吻合。

图8 气体开关在充电时电压波形的仿真结果Fig.8 Simulation results of the voltage waveform of the gas switch during charging

2.3 吹气对场畸变型气体开关工作特性的影响

电触发下，在气体开关的外壳上接入风机，风机吹气的速率为14.5 m·s-1，风向垂直于气隙击穿通道。实验中尽可能地增大高压直流电源的输出电压和限流值，即尽可能地提高脉冲形成线的充电速度，使气体开关恰好不发生自击穿，从而输出较高的电压。吹气时，重复频率分别为50，500 Hz时的输出波形如图9所示。比较图9与图4可见：吹气后，重复频率较低(50 Hz)时，输出不再有小脉冲，高重复频率(500 Hz)时的输出电压有所提高，也不存在小脉冲。吹气与不吹气时，平均输出电压随重复频率的变化关系如图10所示。由图10可见，与不吹气相比，一定的重复频率下，吹气后的平均输出电压有明显提高；或者说，输出电压一定时，吹气可使电源达到更高的重复频率。这是由于吹气加快了气体绝缘的恢复速度，开关允许有更快的充电速度，输出电压就更高。

(a) 50 Hz

(b) 500 Hz

图10 吹气与不吹气时，平均输出电压随重复频率的变化关系Fig.10 Average output voltage vs. repetition frequency with or without blowing

3 结论

本文采用对比实验研究了电触发和吹气对气体开关工作特性的影响。研究结果表明：电触发和吹气都能提高气体开关的重复频率，并有效地改善脉冲电源的输出特性；两电极自击穿气体开关的最高重复频率只有约260 Hz，且输出有较多的小脉冲；而施加电触发后气体开关的最高重复频率可提高到1.8 kHz，欠压比为0.6，重复频率较低时有小脉冲输出，重复频率提高后小脉冲消失；场畸变型开关在较高重复频率运行时，触发电路中的耦合电容和开关电极间的分布电容会影响开关的工作状态；给气体开关间隙吹气后，气体绝缘恢复特性有了明显改善，输出中的小脉冲基本消失，相同欠压比下可达到更高的重复频率。