CN102176401B - 电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，属气体功率电子开关器件技术领域。由主电极、触发电子枪、储氢单元、密封管体和外电路组成，主电极为两个双端封闭并离开一定距离的同轴空心柱体第一阳极和第二阳极；触发电子枪包括管状阴极、钨电热丝、外管和触发极，装于主电极下且枪口对准第二阳极电子入射孔；储氢单元内置氢化钛粉末且表面螺旋状绕有电热丝；外电路包括主电源及其负载、触发电源及其分压电阻、电热丝电源及电子开关。利用两阳极间的类火花放电实现主电极之间通断，具有耐压高、导通电流大、重复开关频率高、易触发开通、导通压降低、允许输出端短路等优点，适宜作为间接式恒能量脉冲斩波变频调速系统中主开关元件使用。

Description

电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管

技术领域

本发明涉及一种在电力电子变流主回路中使用的高压大功率类火花开关器件，属气体功率电子开关器件技术领域。

背景技术

随着低碳、节能、环保行动的不断深入和发展，应用10KV以上高压变频调速系统进行节能的企业越来越多。然而，目前的高压变频调速系统普遍存在价格昂贵、结构复杂、工作不可靠等问题，其中又以半导体功率主开关器件易烧毁的问题最为突出。尽管研发人员做了大量的努力来缓解该问题，但一直未能从根本上解决。

从理论和现有技术的实践情况来看，10KV以上的供电电压，在系统主回路的工作过程中不可避免地会形成高的di/dt和dv/dt，而这些高di/dt和dv/dt与回路分布电感及电容作用后，又会形成极高的尖峰电压和尖峰电流，这些尖峰电压或电流与电源的作用正向叠加后再作用在回路的半导体功率主开关器件上，由于固态半导体功率开关器件的过压、过流能力极差，因此很容易导致这些主开关器件因过压或过流而损坏。在系统其它条件(如电源电压、调制频率、输出功率等)不可改变的情况下，只有降低主开关器件的开关速度，才能解决过高di/dt和dv/dt的问题，但降低主开关器件的开关速度，需要以增加器件的开关损耗和增加输出波形中高次谐波损耗为代价，从技术上来看，这种代价是得不偿失的。因此，除非找到一种全新的、不存在器件过压和过流的变流主回路拓扑结构，寻找一种新的、具有极强过压、过流能力的功率开关器件来代替现有的器件，才能在现有技术的基础上全面解决上述问题。

从已有技术来看，所有真空器件和固态半导体器件均达不到上述技术要求，唯一有可能达到要求的只有气体开关器件。目前已应用的气体开关器件主要有气体火花开关、充气闸流管和类火花开关三种类型，应用领域主要集中在高能物理、高能激光及部分医疗设备上。从工作原理及性能指标来看，气体火花开关和充气闸流管明显不能用于电力电子变流，而类火花开关在原理上有达到这个要求的潜力。类火花放电是上世纪50年代末期发现的一种低气压气体放电现象，利用这种放电现象制成的真空电子器件(即类火花开关管)，具有耐压高、功率大、电流上升速度快和重复频率高等特点，可以替代闸流管、触发管、真空开关管和引燃管等器件，目前主要在等离子体聚焦、高能激光、加速器等装置中应用，其结构特点有表面闪络触发式或预燃电荷注入触发式。对于表面闪络触发方式，其触发极效寿命不长(10⁵～10⁷次之间)；而预燃式电荷注入方式触发虽寿命较长(10⁷～10⁹次之间)，但触发电压要随管子的充气压力变化且触发延迟时间过长(延迟时间8～20μ)；这些特性均使已有类火花开关管不适合应用于电力高压变频调速系统。例如：有效触发寿命数仅为10⁵～10⁹次，若将它们用于载波频率为10kHz的变频调速系统时，有效寿命期仅为10秒钟到1.3天之间！这对需长时间(数十天到几年)连续工作的变频调速系统来说是不可想象的。同样触发电压的变化及延迟时间过长亦使变频调速系统难以正确完成所需的输出波形。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于10kHz以上电力高压变频调速系统、具有强过压过流能力和长寿命的大功率类火花开关管，其在关断时具有很高的关断阻抗和极高的耐受电压，在导通时则具有低的管压降及大的容许通过电流，允许输出短路但不会烧坏器件，具有快的开关速度和高的重复工作频率，能很好地解决高压变频调速系统现有主开关器件易烧毁的问题。

本发明的技术方案是：该大功率类火花开关管由绝缘(陶瓷、玻璃、工程塑料等)密封管体Ⅳ及装于其中的电极单元(Ⅰ)、触发单元(Ⅱ)和外电路组成，主电极单元Ⅰ安装在绝缘密封管体Ⅳ的上中部位，由两个双端封闭、端面平行且保持一定距离的同轴空心金属圆柱体(可用不锈钢等导电材料制成)及其电引出端组成，上、下圆柱体分别为第一阳极A1和第二阳极A2，第一阳极A1的下端面圆心位置开有圆孔d₁₁，第二阳极A2上下两端面的圆心位置分别开有园孔d₂₁和d₂₂，孔d₁₁与d₂₁的直径相等且为1.5～9mm，d₂₂的孔径为1～10mm(根据触发电子枪的结构确定)，两个圆柱电极的内直径为10～50mm、壁厚为0.2～4mm，其端面平行离开的距离为1.5～12mm，第一阳极A1和第二阳极A2的二根电连接线a1、a2穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。触发单元(Ⅱ)是由位于最里面且内壁敷有厚度为0.3～1.5mm的碳酸钡氧化物的圆管状阴极K、均匀绕于圆管阴极K的外壁并与阴极绝缘的螺旋状钨电热丝F₁、套于钨电热丝F₁外面的绝缘(陶瓷、玻璃、工程塑料等)外管B、呈螺旋状均匀绕于绝缘外管B上段外表面的触发极G四个自内向外的同心圆管组成的电子枪，其与第二阳极的d₂₂同轴安装于主电极下面，枪口对准第二阳极的电子入射孔d₂₂并与其相隔1.5～6mm，钨电热丝F₁、圆管阴极K，触发极G的四根电连接线f11、f12、k、g穿过密封外壳与外电路连接。密封管体Ⅳ内电子枪旁还与其平行安装有储氢单元(Ⅲ)，由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的绝缘(陶瓷、玻璃、工程塑料等)圆筒储氢罐T及螺旋状均匀绕于其外面的电热丝F₂组成，电热丝F₂的两根引出线f21、f22穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。绝缘密封管体Ⅳ内的工作压力保持在4～150帕之间(密封管体工作时管体内的压力，可根据实际需要，通过调整储氢罐T内氢化钛粉末的用量，从而控制氢气释放量来实现)。外电路由主电源W1及其串联负载R_L、触发电源W2及其分压电阻R₁和R₂、电热丝电源W3及电子开关SW组成；主电源W1的正极串联负载R_L后接第一阳极A1，主电源W1的负极与触发电源W2的正极、分压电阻R₁的上端、电子开关SW的定触点2端连接后再接于第二阳极A2上，分压电阻R₂的上端与分压电阻R₁的下端及开关管的阴极K连接，触发电源W2的负极与分压电阻R₂的下端、电子开关的SW的定触点3端、电热丝电源W3的负极、钨电热丝F₁的一个引出端f11、电热丝F₂的一个引出端f21相连，电子开关SW的动触点1端接触发极G，电热丝电源W3的正极与钨电热丝F₁的另一个引出端f12、电热丝F₂的另一个引出端f22相连，电子开关SW的控制输入端4接外部控制信号。

本开关管工作时，先接通电子枪和储氢罐的电热丝电源W3约5到10分钟，待管内氢气压力和阴极K表面温度达到要求后，再接通主电源W1和触发电源W2，此时，触发电子枪触发电子束射入第二阳极的电子入射孔d₂₂内，引起第二阳极内腔的气体分子雪崩式快速形成高浓度的等离子体，当内腔等离子的浓度达到足够的量值后，从离子喷孔d₂₁中喷射出并迅速扩散到第一阳极A1的端面上，从而形成两电极之间的电流通道。当外部信号v_i为高电平脉冲期间，电子开关SW的动触点1与定触点2相连接，开关管的触发极G的电位高于阴极K的电位，开关管的第一阳极A1与第二阳极A2之间呈低阻抗而导通；其余时间v_i为低电平，开关管的触发极G的电位低于阴极K的电位，触发开关管的第一阳极A1与第二阳极A2之间呈高阻抗而关断。在高压变频调速系统主回路中使用本大功率类火花开关管，即可通过上述过程实现高压变频调速系统的快速、重复触发开关。

本大功率类火花开关管通过改变阳极结构，利用帕邢曲线最低点左支所特有的类火花放电效应、以及空心电极内等离子体的雪崩式增大效应，来完成主电极之间电流的开通和关断功能，同时采用管状热阴极电子枪加栅极控制方式进行触发控制，使得电子枪的电子发射量只与阴极表面温度有关而与管内气压无关，加之电子枪的寿命很长，且在栅极正电压的作用下电子被大大加速，因此使触发延迟时间大为缩短，很好地解决了开关管在触发速度、触发电压、触发功率以及触发寿命之间的多方矛盾；同时，由于利用氢化钛粉末在冷态时吸收氢气而在高温时释放氢气的特点，用电加热方式使储氢单元中的氢化钛粉末在开关管工作时放出适量氢气以保持管内压力的恒定和气体的纯度，而在开关管停止工作时氢化钛粉末冷却而并将氢气吸回保持管内高真空，保证了工作的可靠性。因此，具有开关速度快、重复工作频率高、重复触发寿命长、结构简单、触发功率小等优点。

本发明在开关管的主电极间隙为3毫米、电极中心小孔直径3毫米、氢气压力为4帕时，具有高达30KV的断态耐压和10万安培的极限通流能力，最高重复开关频率10KHz以上；需要的触发导通电压为300～500伏，触发电流小于50毫安，触发寿命10¹²～10¹³次；开关管在关断时若承受的电压超过极限30KV，则自击穿并转换为导通状态但不会损坏；输出短路时只要短路电流不超过10万安或者在10万安以下熔断器动作，则开关管不会损坏亦不影响寿命，若短路电流超过10万安，则仅电极寿命会有所缩短但不会造成损坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明开关管的剖视示意图；

图2为本发明主电极单元结构示意图；

图3为本发明触发电子枪单元结构示意图；

图4为本发明储氢单元结构示意图；

图5为本发明典型电控制外电路连接示意图。

具体实施方式

实施例1：如附图1、2、3、4和5所示，本大功率类火花开关管由陶瓷密封管体Ⅳ及装于其中的主电极单元Ⅰ、触发电子枪单元Ⅱ、储氢单元Ⅲ，以及外电路组成。主电极单元Ⅰ安装在密封陶瓷管体Ⅳ的上中部位，由两个双端封闭、端面平行且保持一定距离的不锈钢同轴空心圆柱体及其电引出端组成，上、下圆柱体分别为第一阳极A1和第二阳极A2，第一阳极A1的下端面圆心位置开有圆孔d₁₁，第二阳极A2上下两端面的圆心位置分别开有园孔d₂₁和d₂₂，孔d₁₁与d₂₁的直径相等且为1.5mm，d₂₂的孔径为1mm，两个圆柱电极的内直径为10mm、壁厚为0.2mm，其端面平行离开的距离为1.5mm，第一阳极A1和第二阳极A2的二根电连接线a1、a2穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。触发电子枪单元Ⅱ安装于主电极单元Ⅰ下面，由位于最里面且内壁敷有0.3mm厚的市售碳酸钡氧化物的圆管状阴极K、均匀绕于圆管阴极K的外壁并与阴极绝缘的螺旋状钨电热丝F₁、套于钨电热丝F₁外面的陶瓷外管B、呈螺旋状均匀绕于陶瓷外管B上段外表面的触发极G四个自内向外的同心圆管组成，圆管状阴极K的电子枪枪口与第二阳极的电子入射孔d₂₂相隔1.5mm并与d₂₂同轴安装，钨电热丝F₁、圆管阴极K，触发极G的四根电连接线f11、f12、k、g穿过密封外壳与外电路连接。储氢单元Ⅲ与电子枪平行地安装于电子枪旁边的空间位置，由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的陶瓷圆筒储氢罐T、以及螺旋状均匀绕于瓷罐外面的电热丝F₂组成，其电热丝F₂的两根引出线f21、f22穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。通过调整储氢罐T内氢化钛粉末的数量，从而控制氢气释放量，使密封管体Ⅳ内的工作压力为4帕。外电路由主电源W1及其串联负载R_L、触发电源W2及其分压电阻R₁和R₂、电热丝电源W3及电子开关SW组成；主电源W1的正极串联负载R_L后接第一阳极A1，主电源W1的负极与触发电源W2的正极、分压电阻R₁的上端、电子开关SW的定触点2端连接后再接于第二阳极A2上，分压电阻R₂的上端与分压电阻R₁的下端及开关管的阴极K连接，触发电源W2的负极与分压电阻R₂的下端、电子开关的SW的定触点3端、电热丝电源W3的负极、钨电热丝F₁的一个引出端f11、电热丝F₂的一个引出端f21相连，电子开关SW的动触点1端接触发极G，电热丝电源W3的正极与钨电热丝F₁的另一个引出端f12、电热丝F₂的另一个引出端f22相连，电子开关SW的控制输入端4接外部控制信号。主电源W1的电压值低于第一阳极A1与第二阳极A2之间的辉光放电维持电压。

实施例2：如附图1、2、3、4和5所示，本该大功率类火花开关管由玻璃密封管体Ⅳ及装于其中的主电极单元Ⅰ、触发电子枪单元Ⅱ、储氢单元Ⅲ，以及外电路组成。主电极单元Ⅰ安装在密封玻璃管体Ⅳ的上中部位，由两个双端封闭、端面平行且保持一定距离的不锈钢同轴空心圆柱体及其电引出端组成，上、下圆柱体分别为第一阳极A1和第二阳极A2，第一阳极A1的下端面圆心位置开有圆孔d₁₁，第二阳极A2上下两端面的圆心位置分别开有园孔d₂₁和d₂₂，孔d₁₁与d₂₁的直径相等且为9mm，d₂₂的孔径为10mm，两个圆柱电极的内直径为50mm、壁厚为4mm，其端面平行离开的距离为12mm，第一阳极A1和第二阳极A2的二根电连接线a1、a2穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。触发电子枪单元Ⅱ安装于主电极单元Ⅰ下面，由位于最里面且内壁敷有1.5mm厚的市售碳酸钡氧化物的圆管状阴极K、均匀绕于圆管阴极K的外壁并与阴极绝缘的螺旋状钨电热丝F₁、套于钨电热丝F₁外面的玻璃外管B、呈螺旋状均匀绕于玻璃外管B上段外表面的触发极G四个自内向外的同心圆管组成，圆管状阴极K的电子枪枪口与第二阳极的电子入射孔d₂₂相隔6mm并与d₂₂同轴安装，钨电热丝F₁、圆管阴极K，触发极G的四根电连接线f11、f12、k、g穿过密封外壳与外电路连接。储氢单元Ⅲ与电子枪平行地安装于电子枪旁边的空间位置，由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的陶瓷圆筒储氢罐T、以及螺旋状均匀绕于瓷罐外面的电热丝F₂组成，其电热丝F₂的两根引出线f21、f22穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。通过调整储氢罐T内氢化钛粉末的数量，从而控制氢气释放量，使密封管体Ⅳ内的工作压力为150帕。外电路由主电源W1及其串联负载R_L、触发电源W2及其分压电阻R₁和R₂、电热丝电源W3及电子开关SW组成；主电源W1的正极串联负载R_L后接第一阳极A1，主电源W1的负极与触发电源W2的正极、分压电阻R₁的上端、电子开关SW的定触点2端连接后再接于第二阳极A2上，分压电阻R₂的上端与分压电阻R₁的下端及开关管的阴极K连接，触发电源W2的负极与分压电阻R₂的下端、电子开关的SW的定触点3端、电热丝电源W3的负极、钨电热丝F₁的一个引出端f11、电热丝F₂的一个引出端f21相连，电子开关SW的动触点1端接触发极G，电热丝电源W3的正极与钨电热丝F₁的另一个引出端f12、电热丝F₂的另一个引出端f22相连，电子开关SW的控制输入端4接外部控制信号。主电源W1的电压值低于第一阳极A1与第二阳极A2之间的辉光放电维持电压。

实施例3：如附图1、2、3、4和5所示，本大功率类火花开关管由陶瓷密封管体Ⅳ及装于其中的主电极单元Ⅰ、触发电子枪单元Ⅱ、储氢单元Ⅲ，以及外电路组成。主电极单元Ⅰ安装在密封陶瓷管体Ⅳ的上中部位，由两个双端封闭、端面平行且保持一定距离的同轴空心圆柱体(可用不锈钢制成)及其电引出端组成，上、下圆柱体分别为第一阳极A1和第二阳极A2，第一阳极A1的下端面圆心位置开有圆孔d₁₁，第二阳极A2上下两端面的圆心位置分别开有园孔d₂₁和d₂₂，孔d₁₁与d₂₁的直径相等且为3mm，d₂₂的孔径为4mm，两个圆柱电极的内直径为30mm、壁厚为2mm，其端面平行离开的距离为3mm，第一阳极A1和第二阳极A2的二根电连接线a1、a2穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。触发电子枪单元Ⅱ安装于主电极单元Ⅰ下面，由位于最里面且内壁敷有0.8mm厚的市售碳酸钡氧化物的圆管状阴极K、均匀绕于圆管阴极K的外壁并与阴极绝缘的螺旋状钨电热丝F₁、套于钨电热丝F₁外面的陶瓷外管B、呈螺旋状均匀绕于陶瓷外管B上段外表面的触发极G四个自内向外的同心圆管组成，圆管状阴极K的电子枪枪口与第二阳极的电子入射孔d₂₂相隔4mm并与d₂₂同轴安装，钨电热丝F₁、圆管阴极K，触发极G的四根电连接线f11、f12、k、g穿过密封外壳与外电路连接。储氢单元Ⅲ与电子枪平行地安装于电子枪旁边的空间位置，由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的陶瓷圆筒储氢罐T、以及螺旋状均匀绕于瓷罐外面的电热丝F₂组成，其电热丝F₂的两根引出线f21、f22穿过密封管体Ⅳ与外电路连接。通过调整储氢罐T内氢化钛粉末的数量，从而控制氢气释放量，使密封管体Ⅳ内的工作压力为70帕。外电路由主电源W1及其串联负载R_L、触发电源W2及其分压电阻R₁和R₂、电热丝电源W3及电子开关SW组成；主电源W1的正极串联负载R_L后接第一阳极A1，主电源W1的负极与触发电源W2的正极、分压电阻R₁的上端、电子开关SW的定触点2端连接后再接于第二阳极A2上，分压电阻R₂的上端与分压电阻R₁的下端及开关管的阴极K连接，触发电源W2的负极与分压电阻R₂的下端、电子开关的SW的定触点3端、电热丝电源W3的负极、钨电热丝F₁的一个引出端f11、电热丝F₂的一个引出端f21相连，电子开关SW的动触点1端接触发极G，电热丝电源W3的正极与钨电热丝F₁的另一个引出端f12、电热丝F₂的另一个引出端f22相连，电子开关SW的控制输入端4接外部控制信号。主电源W1的电压值低于第一阳极A1与第二阳极A2之间的辉光放电维持电压。

须要说明的是，本开关管实际使用时，主电源W1的电压值需低于第一阳极A1与第二阳极A2之间的辉光放电维持电压，方可以直接用于替代PWM方式工作的全控型固态半导体开关器件。若W1的电压值高于第一阳极A1与第二阳极A2之间的辉光放电维持电压，则开关管在触发脉冲到来时低阻抗开通，脉冲过后即在第一阳极A1与第二阳极A2之间形成辉光放电，因而仍有电流流过第一阳极A1与第二阳极A2，此时本开关管只能用于间接式恒能量脉冲斩波变频调速系统，而不能直接用于替代PWM方式工作的全控型固态半导体开关器件。

Claims (6)

1.一种电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，由绝缘密封管体（Ⅳ）及装于其中的主电极单元（Ⅰ）、触发单元（Ⅱ），以及外电路组成，其特征是主电极由上下两个端面平行保持一定距离的同轴空心金属圆柱体第一阳极A1和第二阳极A2、及其电引出端组成，安装在密封管体（Ⅳ）的上中部位，其第一阳极A1和第二阳极A2的二根电连接线a1、a2穿过密封管体（Ⅳ）与外电路连接；触发单元（Ⅱ）是由圆管状阴极K、钨电热丝                                                

、陶瓷外管B、触发极G四个自内向外的同心圆管组成的电子枪，安装于主电极（Ⅰ）下面且枪口对准第二阳极的电子入射孔

，其钨电热丝

、圆管阴极K，触发极G的四根电连接线f11、f12、k、g穿过密封外壳与外电路连接；密封管体（Ⅳ）内电子枪旁还与其平行安装有储氢单元（Ⅲ），由内置氢化钛粉末H且表面开有小气孔的绝缘圆筒储氢罐T及螺旋状均匀绕于其外表的电热丝

组成，电热丝

的两根引出线f21、f22穿过密封管体Ⅳ与外电路连接；外电路由主电源W1及其串联负载

、触发电源W2及其分压电阻

和、电热丝电源W3及电子开关SW组成。

2.根据权利要求1所述的电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，其特征是主电极单元（Ⅰ）的第一阳极A1的下端面圆心位置开有圆孔

，第二阳极A2上下两端面的圆心位置分别开有园孔

和

，孔

与的直径相等且为1.5~9mm，的孔径为1~10mm；两个圆柱体电极的内直径为10~50mm，壁厚为0.2~4mm，其端面平行离开的距离为1.5~12mm。

3.根据权利要求1所述的电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，其特征是触发单元（Ⅱ）电子枪最里面的圆管状阴极K的内壁敷有碳酸钡氧化物，钨电热丝

螺旋状均匀绕于圆管阴极K的外壁并与阴极绝缘，绝缘外管B套于钨电热丝

的外面，触发极G螺旋状均匀绕于绝缘外管B的上段外表面，电子枪的枪口与第二阳极的电子入射孔

相隔1.5~6mm并与

同轴安装。

4.根据权利要求1所述的电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，其特征是外电路主电源W1的正极串联负载

后接第一阳极A1，主电源W1的负极与触发电源W2的正极、分压电阻

的上端、电子开关SW的定触点2端连接后再接于第二阳极A2上，分压电阻

的上端与分压电阻

的下端及开关管的阴极K连接，触发电源W2的负极与分压电阻

的下端、电子开关的SW的定触点3端、电热丝电源W3的负极、钨电热丝

的一个引出端f11、电热丝

的一个引出端f21相连，电子开关SW的动触点1端接触发极G，电热丝电源W3的正极与钨电热丝

的另一个引出端f12、电热丝

的另一个引出端f22相连，电子开关SW的控制输入端4接外部控制信号。

5.根据权利要求3所述的电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，其特征是敷于触发单元（Ⅱ）电子枪阴极K内壁上的碳酸钡氧化物的厚度为0.3~1.5mm。

6. 根据权利要求1所述的电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管，其特征是绝缘密封管体（Ⅳ）内的工作压力为4~150帕。

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