高功率開關

功能

高功率開關用於實現高功率電脈衝傳輸路徑的切換。它不僅對脈衝功率裝置的輸出特性具有決定性作用，甚至是脈衝功率系統成敗的關鍵。脈衝功率技術研究中，不僅要求高功率開關能夠傳輸數十兆瓦到太瓦級的功率。還要求其時間抖動在納秒範圍。

高功率開關通常工作在較高功率水平下，導通和關斷過程均受控的全控開關通常僅在GW級以下的重複頻率脈衝功率系統中有少量套用。因此，通常按照其功能，將高功率開關分為兩個大類：

（1）閉合開關（closing switch）：初始狀態，開關阻抗為高阻，阻斷電流使其不能向負載傳輸；開關動作時，開關阻抗變換為低阻，使電流通過開關及其後的傳輸結構向負載饋送高峰值電流。該類開關適用於電容儲能電路。

（2）斷路開關（opening switch）：初始狀態，開關阻抗為低阻，使電流通過開關流過與負載並聯的旁路放電迴路，使其不能向負載傳輸；開關動作時，開關阻抗變換為高阻，是電流通過不能通過開關所在的放電旁路，切換進入負載所在的放電迴路，向負載饋送高峰值電流。該類開關適用於電感儲能電路。

高功率開關通常包括電極、工作介質、殼體和引出結構三部分。

開關電極一般採用黃銅、不鏽鋼、銅鎢合金等導電性能良好的金屬或合金材料製成，一隻高功率開關至少包含一對電極（通常簡稱主電極），部分電脈衝觸髮型開關還有觸發電極（圖1）。多級開關使用多個電極，其兩端與引出結構相連的電極稱為主電極，其餘夾持在兩個主電極之間的電極稱為中間電極。

高功率開關的工作介質是填充在電極之間的氣體、液體或固體材料，真空也是高功率開關常用的一種工作介質。對於閉合開關，工作介質初始狀態是絕緣體或高阻抗介質；開關動作時，工作介質被擊穿或由高阻抗狀態轉變為低阻抗狀態。

開關殼體用於容納工作介質，通常由絕緣材料製成，少數類型的斷路開關採用電極作為殼體。

開關引出結構用於實現開關電極與電路的連線，採用導電性能良好的金屬或合金材料製成。

按照功能分類，高功率開關可分為閉合開關和斷路開關。

按照工作介質分類，高功率開關可分為真空開關、氣體開關、液體開關及固態開關。常用的氣體開關包括贗火花開關、充氣火花隙開關、高壓氣體開關、吹氣開關等。常用的液體開關包括油介質開關、水介質開關。常用的固態開關包括半導體斷路開關（SOS）、光導開關、功率半導體開關、磁開關以及介質表面放電開關等。

按照觸發源類型分類，高功率開關可分為自動作開關、機械觸發開關（含爆炸觸發）、電脈衝觸發開關、雷射觸發開關、粒子束觸發開關以及磁場抑制開關等。

（1）標稱電壓：設計時選擇的最高工作電壓，通常又稱為工作電壓。高功率開關的標稱電壓一般在數十kV以上，可高達十數MV。

（2）導通電流：設計時選擇的最大傳輸電流，通常又稱為工作電流。高功率開關的導通電流一般在數kA以上，可高達數MA；

（3）導通電阻：開關導通時在放電迴路中表現的電阻。高功率開關的導通電阻通常在毫歐以下。