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脉冲功率开关器件概述
作者：约翰·帕斯利
24/9/96
版权所有John Pasley 1996。本文件可通过免费分发。任何部分或全部的手段，但作者的名字必须包括在内，并正确归属。
还必须包含所列出的参考文献和免责声明。
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1.0：简介
在考虑与我们有关的单个设备之前，最好先解释一下相关的技术/术语。
1.1交换基础和术语
开关可能是电子学领域中最基本的器件。开关控制电路中的电流流动，使电流以与之串联的其它元件确定的值流动，或根本不流动（视情况而定）。然而，这种理想的行为实际上从来就不是现实生活中所看到的那样。开关有自己的参数，这些参数决定了开关从打开到关闭的速度，或者一旦开关打开，它中断电流的速度。当然，还有更基本的考虑，如开关的电流处理能力和峰值电压，它可以应付损害或其他不必要的影响发生之前。
像在家里常见的机械开关，实际上它们的性能远远不理想。从关到开所用的时间（换向时间）通常在毫秒范围内。此外，在操作员进行物理操作的过程中，当开关从打开到关闭快速波动时，可能会出现诸如反弹之类的杂散效应。
电磁继电器和簧片开关遇到的问题与普通照明开关类似。长换向和开关弹跳是几乎所有机械开关设备的标准特性。
随着晶体管和类似器件如晶闸管的出现，人们会认为这些慢开关问题将成为过去。事实上，这在很大程度上是正确的。但是半导体在其他方面受到限制，很难找到能够开关许多千安培的半导体，特别是在千伏区域的电位下，而且那些能够管理大电流的器件，如较大的晶闸管，会受到过高换流时间的困扰。虽然现在市场上出现了能够在这些极端电流和电压下工作的半导体，但有些要求甚至使这些器件感到羞愧。如果你想在20千伏电压下以低于20纳秒的换向时间切换50千安培，如果你依赖半导体技术，那你就有麻烦了。然而，在简陋的晶体管出现之前，还有一类替代设备已经存在很久了。你可能认为真空管和类似的东西已经成为过去。但对于这种规模的问题，它们是市场上唯一能起作用的东西。
1.2真空和充气开关管，简介和术语
现有的真空管有许多不同的类型，但是可以根据一些相当基本的标准对真空管进行分组。有两个主要的区别特征，装置内的自由电子源和管壳内的气体填充（或缺乏）。后面这两个概念我们已经通过暗示介绍过了。真空管是一种带有真空（极低压气体）填充的装置。而充气装置，顾名思义，就是充满了压力可能高于或低于大气压的气体。所用气体的类型也是一个重要特征，特别是在开关管中遇到各种各样的填充物。
器件中自由传导电子的来源可以是热的，例如与器件阴极物理相关的热灯丝-热阴极，或者是器件上的高电压梯度的简单结果，导致阴极的自动发射。采用后一种方法的器件称为冷阴极器件。在高压开关中，由于存在高电压，因此装置内可能存在较大的电压梯度，这意味着冷阴极系统在大多数其他类型的管中是非常罕见的，是规范而不是例外。
气体开关管中遇到的其他重要术语：
延迟时间
延迟时间是从触发脉冲的应用到初级电极之间开始传导所用的时间。
抖动
抖动是指在相同的电刺激下，不同镜头间的时延变化。
换向时间
The commutation time is the time taken for the conduction to reach maximum once it has commenced. (i.e. From the time from the end of the delay time to the time at which the maximum level of conduction occurs.)
需要指出的是，我们将要考虑的开关管中没有一个看起来很像旧收音机后面的东西。很多都很大，有些则特别大。在更高功率的设备中，玻璃也在很大程度上被陶瓷所取代。在你去当地的电子商店或无线电小屋之前，还应该指出，这些设备中的许多设备除了成本为100美元（通常为1000美元）一件外，由于其在先进导弹和核武器技术中的应用，也基本上不为大众所用。在这些设备中，最“日常”的是点火管，它在工业焊接领域有着广泛的应用。
本文考虑以下装置：
2.0真空和气态开关装置
本节中的大多数装置通过在气体介质中诱导电弧过程进行切换。我已经在触发火花间隙部分提到了一些设备，这些设备实际上使用液体或固体替代气体材料，这是触发火花间隙的标准。
电弧的形成过程在物理上是相当复杂的，不会深入到任何深度。任何想更深入地了解设备操作这一方面的人，都可以联系作者，以获得一些关于适合在这类研究中使用的教科书的建议。
2.1冷阴极开关管简介。
冷阴极触发管是一种物理上很小的装置，设计用来切换相对较小幅度的脉冲电流和电压。顾名思义，它们通常是用来触发其他更大的设备。
典型的冷阴极触发管被设计用来切换几百伏和几百毫安的脉冲。大多数触发管有三个或四个电极，分别是阳极、阴极（+ve和-ve端子）、一个触发/控制电极，有时还有一个启动电极。
触发管的工作方式非常简单，类似于触发的火花隙，只是通常传导不是通过电弧而是辉光放电。当存在以下所有因素时，辉光放电开始：
- 设备两端（阳极和阴极之间）存在足够高的电压
- 触发电极存在足够幅度的触发脉冲。
- 管中的气体已充注。
冷阴极触发管依靠一些外部或内部源使气体离子化，以便开始传导（这称为启动）。这意味着，在理论上，当某些天然电离辐射源使气体电离（形成等离子体）并因此导致传导开始时，这些管子中的一些只会在适当的触发电压施加到装置的适当端子后一分钟左右切换。
触发基本上是随机的-它受到巨大的统计变化，即使在明显相似的环境。一些设备包括适当的电离源，以大大减少触发应用后的最大可能延时。该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，即使是标准的商用设备，在阳光和黑暗中发射的设备之间也常常显示出很大的差异（最大和超过一个数量级的差异），例如，标准商用管Z900T在白天的光线中显示出20us的延迟，在黑暗中显示出250us的延迟。
2.2 Krytron
氪管是一种高度专业化的冷阴极触发管。它们是总部设在美国的EG&G公司开发的首批产品之一。Krytron有4个电极，充有低压气体。Krytron在冷阴极触发管中的区别有很多原因。
Krytron设计用于在电弧放电模式下切换中等高的脉冲电流（高达3kA左右）和电压（高达5kV左右），与标准触发管的普通辉光放电进行比较。而且，也许更重要的是，Krytron能够非常迅速地打开电弧放电，原因是它依赖于已经存在的等离子体来支持传导，而不是等待由于引发等而形成的等离子体。这种等离子体是由保活电极和器件阴极之间的保活电流产生和维持的。当在高的正负极电压条件下触发时，这种等离子体形成了一条简单的主传导路径。
与标准冷阴极触发管相比，在触发之前已经建立了传导路径这一事实使得这些器件的换向时间有了巨大的差异。使用krytron可以实现低于1纳秒的换向时间，并且使用优化的驱动电路，从应用触发器到开始切换之间的时间差可以小于30ns。（请注意，此延迟主要是由于电离路径需要从保持活动的终端扩展到设备的阳极）将此延迟时间与标准触发管中的延迟时间进行比较，后者取决于许多环境因素，通常大于3或4个数量级。注意，krytron所表现出的时间延迟变化几乎完全与环境无关，但是随着触发电压的增加，时间延迟可能会减小到一定程度。同样地，如果触发脉冲的上升时间也减小，则换向时间通常也减小。但是，给定相同的触发脉冲，氪管从一次发射到下一次发射的时间延迟非常相似。这种变化称为抖动，在最佳情况下可能小于5ns。
Krytron含有β射线源Ni-63。每个装置中的数量少于5微居里，不会造成重大危害。通常电源是脉冲焊接到一块镍丝上，镍丝又焊接到一个电极支架上。这种源的目的是通过在保持活性和阴极之间形成初始辉光放电来提高krytron的可靠性。这种初始保持电流很大程度上受环境因素的影响，例如在标准触发管中形成的辉光放电。正是由于这个原因，才使用了放射性启动元件，就像在标准触发管中使用的启动源中一样（有时也会是放射源）。
krytron通常装在一个小的玻璃外壳里，有点像一个有更多引线的霓虹灯指示灯泡。
krytron需要一个高压脉冲（500V到2kV）施加到触发电极上才能成功点火。这种脉冲几乎总是由脉冲变压器产生，脉冲变压器由初级中的电容放电产生（更像一个简单的选通管点火电路）。
krytron通常只有很短的预期寿命，如果经常使用（通常是很少的几百发），但当使用在适当的参数和预期寿命内，他们是非常可靠的，不需要预热和免疫许多环境因素在很大程度上（如振动，温度，加速度）。
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。
氪管用于某些激光器和闪光管的点火电路中，也用于某些脉冲焊接应用中，通常用作其他较大装置（如闸流管和火花隙）的触发装置。
2.3 Sprytron
The Sprytron, otherwise known as the Vacuum Krytron, is a device of very similar performance to the Krytron. Though it generally exhibits a somewhat lower time delay after triggering. The Sprytron is designed for use in environments were high levels of radiation are present. The sprytron is a hard vacuum ‘filled’ device unlike the krytron which, as noted above contains a low pressure gas.
Sprytron只有三根引线（没有保持活力），但在外观结构上与Krytron非常相似。使用真空填充的原因几乎可以肯定的是，外部环境的辐射不存在电离介质（这种电离可能会促进虚假触发效应）
Sprytron需要比Krytron更强大的触发脉冲，因为该器件的工作原理是在触发器和阴极之间直接形成一个电弧，从而破坏阳极和阴极之间的电场，从而导致电子管击穿（导通）。
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。有趣的是，在应用电路（参考文献1和4）中，sprytron总是显示为直接切换负载（爆炸桥导线），Krytron总是显示为触发次级器件，例如触发的火花隙。
2.4 Thyratrons.
闸流管有几种。所有的工作原理都类似于半导体晶闸管，一个区别是在许多设计中（氢闸流管是一个常见的例外），栅极必须在关断状态下偏压为高度负，然后偏压为正以实现开关。像晶闸管一样，闸流管的工作方式就像一个闭锁开关，即一旦你打开它们，你只能通过切断主电路的电源来关闭。充汞闸流管是最慢、最不实用的类型，并且比其他类型的闸流管更受环境限制，这主要是由于汞冷凝的问题。它们很少被使用，因为它们几乎没有晶闸管的优点。氢闸流管的开关速度比晶闸管快得多。有的可以在20ns以下实现换向。与充汞设备相比，惰性气体填充物往往提供更优越的性能，而与充氢设备的速度不匹配。
注意，充氢装置采用热阴极。
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：
“闸流管”一词指的是一个放电室，其中有一个阴极、一个或多个栅极和一个阳极，并充满惰性气体或金属蒸汽。”
一些闸流管可以处理高达50kV（双间隙类型）的开关数千f安培和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。另一种闸流管充满了氘。这些充氘装置与充氢装置类似，但氘的火花电势更高，因此可以处理更高的电压。
E、 g.E3213可切换70kV（双间隙型）。有陶瓷和金属体的专业闸流管。这些设计用于极端环境条件。闸流管中有各种各样的栅极结构，在这里考虑它们是不切实际的。闸流管的制造商包括EG&G、GEC、英式电动阀有限公司、M-O阀有限公司。大型闸流管通常需要一个装满驱动/控制电路的大箱子。价格从几美元到几千美元不等。遇到热阴极和冷阴极类型的器件。
Note these ratings are the exception rather than the rule in Thyratron devices, devices designed for sub kilovolt voltages and only capable of handling a few tens of amps pulsed are common enough.
闸流管通常采用小型多管脚基座式封装，如其他真空管中常见的封装，或者在大电流装置中采用大型管状封装，带有重型端部连接器。
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）。
过电压间隙主要用于保护。但是，与这里提到的其他设备结合使用时，它们通常用于锐化触发开关设备（如闸流管）的超高电流脉冲的输出脉冲（减少上升时间）。
这些器件的尺寸几乎完全取决于它们要切换的电流/电压的大小，实际上这些器件的尺寸没有限制，它们可以像氪管一样小，但是它们也可以非常大，而打算切换毫安的器件就是这样。
2.6触发火花隙
触发火花隙是一种简单的装置，施加在触发电极上的高压触发脉冲在阳极和阴极之间引发电弧。该触发脉冲可在装置内以多种方式被利用来启动主放电。不同的火花隙被设计成采用一种特殊的方法来产生主阳极到阴极的放电。不同的方法如下…
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：三个电极；触发电极比另一个更靠近其中一个主电极。
- 中间平面：三个电极；基本触发火花间隙，触发电极位于中心位置。
- 触发管：触发到一个电极电流形成等离子体，扩散到阳极和阴极之间的路径。
触发火花隙可填充多种材料，最常见的是…
- 空气
- 六氟化硫
- 氩气
- 氧气
通常采用上述材料的混合物。然而，一些火花隙实际上使用液体甚至固体介质填充。固体填充器件通常设计为单次使用（只有在被破坏后才使用）一些固体填充器件设计为10TW（10000瓦）的开关功率，例如在极强的电容器组放电中遇到的功率。除了（显然）在固体填充设备的情况下，介质通常通过火花隙泵送。一些较小的间隙不使用此系统。
通常充气火花气体工作在20-100kV/20至100kA的范围内，尽管有更高功率的设备可用。我有一个规格的麦克斯韦充气设备，可以处理3毫安-这是300万安培！但是它的大小和一辆小车差不多！！更常见的充气装置的尺寸只有几英寸。包裹的形状通常像大冰球，但也可以看到双锥、管状和箱形结构。
Sparkgaps通常设计用于特定的外部环境（例如，它们可能浸没在油中）。有时可以包括用于将媒体发送到设备的适当部分的系统。常用的环境有：
- 空气
- 六氟化硫
- 油
典型的火花隙装置编号有：TG7、TG113、TG114等。
火花间隙会因反复的剧烈放电而损坏。这是如此高的放电电流的必然结果。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，每个设备1到1万发子弹通常是允许的。
EG&G公司生产的微型触发火花隙专门为国防应用而设计。这些装置在物理上比普通火花间隙小得多（典型尺寸只有几厘米），设计用于爆炸箔式雷管。
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。
Triggered spark gaps tend to have long delay times than Thyratrons (their chief competitor, at least at lower energies) However once conduction has started it reaches a peak value exceptionally rapidly (couple of nanoseconds commutation.)
2.7点火器
点火管是汞蒸气整流器，其中电弧在（通常是石墨）阳极和汞池阴极之间切换。放电是由一个浸入汞池阴极的点火电极开始的。
当对该点火器施加适当的脉冲电流/电压时，在点火器接触池的点处形成电子发射源。这会在阳极和阴极之间引发电弧。
正确触发点火器非常重要。点火器需要一定的能量才能成功点火，同时还需要根据电流和电压随时间变化的“点火器特性”应用该能量。否则会发生缺火或点火器损坏。同样重要的是，点火器上不应出现相对于阴极的明显负电压，否则点火器损坏将是不可避免的结果。
触发器有两种主要的偏置方式：
阳极励磁：在电阻焊应用中很常见，这里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。点火时，点火器电流迅速下降，因为在传导过程中，正负极电压降得很低。
独立励磁：顾名思义，这里的点火电路基本上独立于主电路。
在交流电源控制应用中，点火管通常并联使用。
点火管在连续使用时必须经常冷却（即不是电容器放电时的单次放炮），通常采用水冷。必须在正确的温度范围内使用Ignitron，这一点非常重要，因为热或冷对这些设备来说都是非常坏的消息-（冷会导致汞蒸气在阳极上冷凝。）
引燃管是非常有限的关于他们的物理ical orientation. This reason being simple that they rely upon a pool of liquid at one end of the device that must be correctly positioned for the ignitor to function correctly. Positioning the device so that it leans over at an angle of more than 2 or 3 degrees from the vertical is fatal.
大多数Ignitron在5安培到100kA的最大电流下工作，可能适用于几百到20000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管触发电路。
Ignitron适用于需要高电压或高电流功率控制的应用场合。焊接可能是最常见的应用。
3.0固态设备
（注：本节可能会有相当大的不同。）
在作者的进一步研究之后进行了扩展。）
现在市场上有一些商用晶体管，可以切换几十千伏的电压。也有一些晶体管可以处理超过5千安培的脉冲电流。例如，这些器件可能在电气性能方面与krytron和Sprytron匹配，但在尺寸和（Sprytron的情况下）辐射硬度方面不匹配。
晶闸管广泛应用于可处理10kA以上数kV脉冲的设计中。然而，它们的开关速度非常慢，甚至不能达到微秒级的开关速度。
目前，一类新的器件在研发领域显示出巨大的前景。这些器件是采用GaAs或金刚石薄膜技术的光学（通常是激光）开关器件。建议读者
有关这些设备的更多信息，请参阅下面相应的参考资料。
读者的最终注意事项：
我提到的一些装置由于其军事用途而受到严格控制。但是，上述信息中的任何一项都不受任何限制或控制。为清楚起见，受两用指南限制的开关设备如下：（由橡树岭国家实验室提供）
（a） 冷阴极管（包括气体krytron管和真空sprytron管），不论是否充气，操作类似于火花隙，包含三个或三个以上电极，并具有以下所有特性：
- 额定阳极峰值电压2500V或以上；
- Anode peak current rating of 100 A or more;
- 阳极延迟时间小于等于10微秒；以及
（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） 具有快速切换功能的模块或组件具有以下所有特性：
- 阳极峰值电压额定值大于2000V；
- 额定阳极峰值电流为500 A或以上；以及
- 开启时间不超过1微秒。
致谢：
我要感谢以下各方的帮助和帮助：
Carey Sublette为提供大量的帮助和鼓励。
Roy Schmaus提供此信息的原始站点。
参考文献：（按标题字母顺序排列）
EG&G目录/材料。（回复：组件）
2） 爆炸线第4卷，过程。关于爆丝现象。Ed.Chace和Moore-Plenum出版社（回复：EBW's）
3） 高功率光激活固态开关，
ed.Rosen和Zutavern-Artech House（回复：固态设备）
4） Frank Frungel高速脉冲技术-学术出版社（回复：EBW's，FCG's，components）
5） 雷金斯洛学术出版社高速撞击现象
IEEE出版物（请联系作者了解更多详细信息）。
麦克斯韦目录。（回复：火花隙）
8） Mullard阀门和管道手册2第3部分（关于：部件）
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，我将欢迎任何更正。但是，请任何提供资料的人也提供他们所提供的材料或他们自己的参考资料，以便对他们的贡献给予应有的重视。
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：我作者不承担任何责任谁伤害/杀死自己试图实现上述任何技术。
高电压通常是非常危险的，上述任何一项都不打算或不应用于提供建造或建造任何类型高压电路的正确程序的说明。高压用于描述任何可能导致死亡的电压，即高于50V的任何电压。
