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随着脉冲功率技术的快速发展，在直流断路器、电磁发射、快脉冲直线变压驱动等大电流快速关合领域对高性能开关提出更高要求[1]。真空触发开关（Triggered vacuum switch，TVS）以真空为绝缘和灭弧介质，利用触发环节产生大量初始等离子体快速导通真空间隙。其触发时延可控制在25±1 ns以内，通流容量在100C以上，工作寿命可达18000次，是一种综合性能优异的脉冲功率闭合开关[2-7]。
此前学者针对TVS的触发性能提升进行了大量研究。2010年，西安交通大学姚学玲等[8-9]发现TVS内闪络材料的介电常数越高，触发时延和抖动越小，研制的沿面闪络TVS工作电压范围触发时延为100±10 ns。华中科技大学何正浩等[10-11]开发的多棒型激光触发真空开关，触发时延低于17 ns。大连理工大学廖敏夫等[12-14]研究了触发材料、激光能量、工作电压等参数影响下激光触发真空开关的触发时延特性，参数优化后可将其触发时延控制在32 ns以内。
近年来脉冲激光器、快直线变压器驱动源(LTD)等微秒或纳秒脉冲放电领域对开关的放电功率提出了更高要求。现有高功率系统多采用气体触发开关，2021年西安交通大学张永鹏等[15]设计的用于紫外预电离的气体开关，可输出上升率1.9×1010 A/s以上的脉冲电流。中国工程物理研究院税荣杰等[16]2023年为10MA级大电流装置研制的气体触发开关输出的脉冲电流上升率进可达1012 A/s。与气体开关相比，现有TVS能稳定输出的脉冲电流上升率相对较低，一定程度上阻碍其在脉冲功率系统的推广应用。为提高真空开关放电功率，东京工业大学Watanabe M等[17]设计了一种双通道激光触发真空开关，输出电流上升率为1.3×108 A/s。全俄电工所Alferov D F等[18]开发的TVS，可输出上升率达9.4×109 A/s的脉冲电流。大连理工大学廖敏夫等[19]研究发现激光触发真空开关输出电流的上升率受开关电感与电阻的影响，样机的电流上升率约为1.43×108 A/s。华中科技大学何孟兵等[20]通过优化电极结构与材料，将沿面闪络真空触发开关输出的电流上升率控制在3.96×108 A/s。为避免大电流烧蚀对气体开关可靠性和运行寿命的影响，利用真空触发开关的通流容量大的性能优势开发综合性能更优的闭合开关，对保障脉冲功率系统的高质量发展具有重要意义。然而目前关于TVS输出脉冲电流上升率的针对性研究相对较少，影响开关电流上升率的主要因素与内在机制并不清楚，阻碍真空开关放电功率的有效提升。
为探明影响TVS输出脉冲电流上升率的主要因素和内在机理。本文首先结合理论计算分析了开关结构电感、电弧电阻对其电流上升率的影响；随后搭建试验电路对比不同电极结构、电极间距、工作电压对TVS输出电流上升率的作用。分析不同TVS内部结构与材料影响下开关结构电感的变化，给出高功率TVS的结构设计建议，为综合性能更优的真空触发开关研发奠定基础。
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本文以此前研制的10 kV激光触发真空开关为仿真模型，内部电极为直径85 mm的纵磁杯状电极，电极间距10 mm，如图1所示[21]。通过有限元仿真计算得到该TVS结构电感为122.91 nH，固有电阻为7.1 μΩ。实验验证该TVS电感约为110 nH，电容与TVS连接铜排电感即外电路电感约为1.71 μH，外电路电阻约为0.4 mΩ。又通过实验测得样机导通10 kA工频电流时电弧电压约为53 V，即开关导通时电阻约为5.3 mΩ。由于真空电弧的电感远低于开关结构电感。因此可忽略结构电阻和电弧电感变化带来的影响。
根据TVS样机的阻抗参数，建立理想的开关放电电路如图2所示。图中R1、L1为TVS的电弧电阻和结构电感，Rt、Ld为外电路电阻和电感，K1是理想开关，C容值为1 μF，充电电压5 kV的放电电容。
K导通瞬间，列写回路电压方程如下：
令
$ i = A{{\text{e}}^{{\text{s}}t}} $ 并简化得到：对上式求解，得到TVS输出电流为：
求导得到电流上升率为：
由式（4）-（5）可知，TVS输出的脉冲电流上升率随开关结构电感和电弧电阻的增加逐渐减小。图3为不同阻抗TVS输出的脉冲电流波形。可见此前研制的TVS可在理想条件下输出上升率为2.56×1010 A/s的脉冲电流，但文献[16]的试验结果与之相比仍存在一定差距。同时，根据图3可知，在微秒脉冲放电中，外电路参数会对TVS放电波形产生影响。但在试验过程中，电容与TVS所连接的铜排保持不变，即外电路参数固定不变，仅改变TVS结构参数。因此，本文认为外电路参数对试验结果的影响可予以忽略。
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为进一步明确相关结构因素对TVS输出脉冲电流上升率的作用，基于可拆卸真空腔体搭建的TVS放电试验电路如图4所示。主要包括触发源系统及TVS放电回路。触发源系统采用级联放电的方式输出幅值最高21 kV，上升率42 V/ns的电压脉冲，在位于TVS阴极中心的Al2O3陶瓷环表面诱导形成闪络放电，产生初始等离子体使真空间隙导通。TVS试验电路中Rt、Ld分别为电容C0与TVS所连接的铜排电阻0.4 mΩ及铜排电感1.71 μH。其中，TVS样机为可拆卸真空腔体，内部真空度通过分子泵维持在5×10−4 Pa以下，TVS采用直径58 mm的纵磁杯状电极，阴极中心有直径10 mm，深2.5 mm的凹槽放置陶瓷环。陶瓷环内径5 mm，外径10 mm，厚度为1.5 mm，陶瓷环心固定有外径6 mm的铜触发极片，触发极与触发源系统电气连接。TVS内电极间距设为10 mm。采用泰克P6015A高压探头分别测量TVS工作电压和触发电压波形，通过知用CP9301A罗氏线圈测量开关的放电电流波形，采用高速相机配合滤光片拍摄间隙内真空电弧扩散图像。
TVS典型放电波形如图5所示。脉冲电压作用约2 μs后间隙被触发，随即通过间隙释放脉冲电流。此前研究通常定义TVS触发时延为触发脉冲信号开始上升至开关电压开始下降所需时间，认为此时真空间隙内已建立起始放电通道。随后放电通道逐渐演变为稳定真空电弧，传输电流并完成脉冲放电过程。
因此，本文定义TVS从被触发时刻，即开关电流开始上升至电流增长至峰值所需的时间为开关的电流上升时间。根据电流上升时间和电流峰值，由式（6）计算TVS输出电流的上升率di/dt：
式中：ΔI为电流从零上升到峰值的幅值变化，Δt为电流上升时间。为保证试验结果的可靠性，在相同条件下重复进行10次放电试验，统计每次放电时TVS输出电流的上升率并计算平均值，由此得到开关的电流前沿特性。
由图5放电波形可知，触发脉冲在陶瓷表面放电产生初始等离子体后，可快速在真空间隙内建立初始放电通道，经过约3.12 μs即可转变为稳定真空电弧，传输脉冲电流。图6为高速相机拍摄得到的间隙内真空电弧的形态（曝光时间1 μs），可见触发极输出的电压脉冲对陶瓷环放电，形成起始放电斑点，随后部分初始等离子体沿闪络通道与阴极表面碰撞亦会形成阴极斑点，扩散至真空间隙的初始等离子体在间隙电磁场的作用下不断与阴、阳极表面碰撞并释放更多带电粒子，并在阴极表面建立更多阴极斑点，形成相对稳定的放电通道传输电流，如图6中阴极表面上呈扩散形态分布的多个阴极放电斑点所示。
电弧等离子体在真空间隙内的扩散运动，即电极表面阴极斑点的熄灭与再生，势必影响开关的电荷传输过程，使TVS输出的脉冲电流波形发生变化。为探明影响TVS输出脉冲电流上升率的主要因素，本文在前人工作基础上，结合试验与仿真对相关结构参数的影响进行了研究。
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调整TVS内电极结构，分别采用直径58 mm的纵磁杯状电极与直径45 mm的平板电极，电极表面材料均为CuCr50合金。设置电极间距10 mm，触发环节参数不变，得到工作电压4 kV时，两种TVS输出的脉冲电流波形如图7所示。
其中，平板电极TVS内陶瓷环的闪络电压约为7.78 kV，触发时延为2.62 μs左右，即触发电压开始上升到间隙电压开始下降所需时间为2.62 μs；纵磁杯状电极TVS内陶瓷环的闪络电压约为6.65 kV，触发时延为1.96 μs左右。两种电极TVS输出脉冲电流达到峰值所需时间有明显差异。平板电极TVS被触发后经过约2.8 μs，电流达到峰值2.19 kA；而纵磁杯状电极TVS输出电流达到峰值所需时间约为3.02 μs。据式(6)计算得到平板电极TVS输出电流的上升率约为7.8×108 A/s，略高于纵磁杯状电极TVS的电流上升率7.0×108 A/s。
经过多次重复试验发现，两种TVS输出的脉冲电流上升率存在明显差异，如表1、表2所示。可见电极结构会在不同程度上影响TVS的放电过程和放电波形。
图8为试验所用两种电极结构，二者主要差异为电极直径和燃弧期间间隙自生磁场。为理清电极结构造成开关脉冲放电参数差异的原因，结合仿真分别分析了不同电极直径和电极磁场结构对电极环节结构电感的影响。模型设置有两个对向布置的电极，间距为10 mm，电极间布置有直径40 mm的圆柱状理想电弧模型。
首先，以平板电极为仿真对象，调整平板电极直径dt从40 mm增大至60 mm，如表3所示，计算得到不同电极直径下电极环节的结构电感变化如图9所示。随着电极直径的增加，电极间有效的通流面积逐渐增大，电极部分固有的结构电感也从7.89 nH逐渐增大至16.619 nH，相应的，TVS的结构电感也有所增大。
随后，固定电极直径为58 mm，分别计算平板电极与纵磁杯状电极的结构电感，结果如图10所示。其中纵磁杯状电极的电感为25.821 nH，高于平板电极的电感15.811 nH。
此外，根据前人研究，纵磁杯状电极在放电时，电极线圈与电弧通道形成的纵向磁场可束缚电弧等离子体无序扩散，在间隙内形成多条放电通道，使真空电弧燃烧相对稳定，电弧电阻较低。而平板电极在导通大电流时，由于缺乏磁场束缚，电弧燃烧并不稳定，电弧电阻也相对较高。
由以上分析，得益于较小的电极直径与固有结构，试验中平板电极TVS具有相对较低的结构电感。但由于平板电极间隙磁场对电弧扩散的束缚作用偏弱，其电弧电阻必然高于纵磁电极。考虑到图7中放电电流峰值仅4 kA，间隙磁场对电弧扩散的束缚作用相对有限。本文认为此时电弧电阻对TVS放电电流上升率的作用要弱于结构电感，因此，平板电极TVS可获得略高于纵磁杯状电极TVS的电流上升率。间隙磁场对TVS脉冲放电时电弧扩散和输出电流上升率的影响规律和相关机制，拟在后续研究中展开。
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考虑电弧烧蚀对电极使用寿命的影响，本文后续研究采用纵磁杯状电极展开。调整纵磁电极TVS上的试验电压，对比开关工作电压Ui对其输出脉冲电流上升率的影响。设置TVS内电极间距为10 mm，工作电压变化范围为2 kV−10 kV，得到不同工作电压下TVS输出电流上升率的变化如图11所示。可见随着工作电压的增加，TVS输出脉冲电流的上升率可逐渐增加。工作电压10 kV时，开关输出电流的上升率达到1.91×109 A/s。
根据此前研究，触发阶段较高的工作电压可提供更高的电场强度，加速真空间隙内初始等离子体的碰撞电离和扩散运动，有利于在间隙内产生更多速度更快的带电粒子，缩短TVS触发所需时间[22]。相应的，在放电起始阶段，数量更丰富的速度更快的带电粒子可在电极表面诱导形成更多起始阴极斑点，加速TVS的电荷传输过程，使开关获得相对更高的电流上升率。从宏观参数来看，更高的工作电压可在TVS内诱导产生更多等离子体，使燃弧期间的电弧电阻有所下降，有利于提升开关输出电流的上升率。
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随后保持纵磁电极TVS的触发源参数和工作电压（4 kV）不变，调整腔体内电极间距d，得到电极间距在2 mm−10 mm范围内变化时开关输出脉冲电流的上升率如图12所示。可见随着电极间距的增加，TVS输出电流的上升率逐渐下降。间距2 mm的TVS可在4 kV工作电压下输出上升率为9.24×108 A/s的脉冲电流。
由前文分析，电极间距的减小可在一定程度上增大真空间隙内电场强度，有利于通过闪络沿面产生更多高速运动的初始等离子体，从而在阴极表面诱导形成更多的初始阴极斑点，加速TVS的电流传输过程。此外，电极间距的减小亦会缩短间隙内等离子体扩散至对电极所需时间，初始等离子体可通过与阴、阳极表面的碰撞电离释放更多带电粒子进入间隙，从而形成更多电子密度更高的放电斑点，加速真空间隙的电荷传输过程，使TVS获得更高的电流上升率。
但电极间距的减小不利于TVS耐压水平的提高，会阻碍其在高压脉冲功率系统的应用。因此，建议结合TVS的应用环境设计其电极间距、电极结构等参数，从而保证开关获得最优的工作性能。此外，考虑到导电杆尺寸、电极材料等亦会影响开关的结构参数，从而影响其电流上升率。受限于试验条件，本文基于图1仿真模型对导电杆尺寸和电极材料对开关结构电感的影响进行了初步分析。
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保持图1内电极、间距与陶瓷壳等部件尺寸不变，仅改变TVS下导电杆的直径d0与导电杆长度ht，如表4所示，得到不同下导电杆尺寸下TVS的结构电感的变化如图13所示。可见随着下导电杆长度的减小和导电杆直径的增加，TVS的结构电感会逐渐降低。设置参数范围内，可将TVS结构电感降低至115.19 nH。造成图中变化的原因可由圆柱导体电感的计算公式推导得到，此处不再赘述。
随后改变模型中纵磁杯状电极的表面材料，分别设为钨、硅钢、铝、铜和CuCr50，计算得到不同电极表面材料TVS的结构电感如图14所示。其中硅钢电极的结构电感最大，高达1692 nH，钨、铝、铜电极的电感依次下降；目前最常用的CuCr50电极的结构电感最小，为122.91 nH。由于几种材料的磁导率不同，造成TVS结构电感的差异。此外，电极表面材料差异会影响燃弧阶段间隙内等离子体成分，从而影响TVS的电弧电阻。具体对真空开关电流上升率的影响规律会在后续研究展开。
通过上述仿真与试验研究，建议设计用于高功率系统的真空开关时，在满足所需工作电压和通流容量的前提下，选取磁导率较低的电极和导电杆材料并尽量减小相关部件的尺寸，以减小对TVS输出电流上升率的影响。
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本文通过仿真与试验研究了影响真空触发开关输出脉冲电流上升率的主要结构参数，可以得到以下结论：
（1）随着下导电杆长度的减小、导电杆直径的增加及电极直径的减小，TVS结构电感可逐渐降低至115.19 nH，从而提高其输出脉冲电流上升率。相较于纵磁杯状电极和不同表面材料的平板电极，选用CuCr50平板电极时TVS结构电感最小，输出脉冲电流的上升率更高。
（2）工作电压的增加与电极间距的减小均会导致TVS输出电流上升率的增加。间距10 mm的纵磁电极TVS样机可在10 kV工作电压下输出上升率为1.91×109 A/s的脉冲电流。但与现有气体开关相比仍存在一定差距，有待进一步优化参数以提升TVS输出电流的上升率。
结构参数对真空触发开关输出脉冲电流上升率的影响研究
The Influence of Structural Parameters on the Output Pulse Current Rise Rate of Triggered Vacuum Switch
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摘要: 为提升真空触发开关的放电功率，满足脉冲功率系统对大功率开关器件的需求，文章对影响真空触发开关（Triggered vacuum switch，TVS）输出脉冲电流上升率的相关结构参数进行研究。首先结合理论计算，明确结构电感与电弧电阻变化对TVS电流上升率的影响。随后基于可拆真空腔体搭建TVS放电试验平台，对比并分析电极结构、工作电压及电极间距等参数对开关输出电流上升率的影响。结果表明，TVS内电极直径、导电杆尺寸、电极材料等参数的变化会导致结构电感或电弧电阻的变化，影响其输出脉冲电流的上升率。采用平板电极时，TVS输出的电流上升率要高于纵磁杯状电极。工作电压的升高和电极间距的减小可使TVS输出更为陡峭的脉冲电流，间距10 mm的TVS样机可在10 kV电压下输出上升率1.91×109 A/s的电流。建议研制用于高功率系统的真空开关时，合理设计其电极间距、结构等参数以提高开关输出电流的上升率。Abstract: In order to increase the discharge power of the triggered vacuum switch (TVS), meeting the demands for high-power switching devices in pulsed power systems, in this paper, relevant structural parameters affecting the output pulse current rise rate of the triggered vacuum switch are studied. First, combined with theoretical calculations, the effects of TVS structural inductance and arc resistance on the current rise rate are compared. Subsequently, a discharge test platform for TVS was built based on a detachable vacuum chamber. Effects of electrode structure, working voltage, and gap distance on the rising rate of pulse current are compared and analyzed. The results proved that differences in parameters such as electrode diameter, conductive rod size, and electrode material in TVS lead to the change of its structural inductance or arc resistance and affect the rising rate of pulse current. When using a flat plate electrode, the current rising rate of TVS is higher than that of the transverse magnetic fields electrode. By increasing operating voltage and decreasing gap distance, a steeper pulse current can be output by TVS, and the 10 mm TVS can output current with a rising rate of 1.91×109 A/s under 10 kV operating voltage. It is suggested that, when developing TVS for high-power systems, the gap distance, structure and other parameters should be reasonably designed to improve the rise rate of switching output current.
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Key words:
- Triggered vacuum switch /
- Current rising rate /
- Electrode structure /
- Arc plasma /
- Arc diffusion .
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图 7 不同电极结构TVS的放电波形
Figure 7. Discharge waveforms of TVS with different electrode structures
图 8 TVS内不同电极结构。(a) 纵磁杯状电极，(b) 平板电极
Figure 8. Structures of different electrodes in TVS. (a) Axial magnetic cup-shaped electrode, (b) Plate electrodes
图 9 电极直径对TVS结构电感的影响
Figure 9. Effects of electrode diameters on the structural inductance of TVS
图 10 电极结构对TVS结构电感的影响
Figure 10. Effects of electrode structure on the structural inductance of TVS
图 11 工作电压对TVS电流上升率的影响
Figure 11. Effects of operating voltages on the current rising rate of TVS
图 12 电极间距对TVS电流上升率的影响
Figure 12. Effects of gap distances on the current rising rate of TVS
图 13 下导电杆长度、直径对TVS结构电感影响
Figure 13. Effects of the length and diameter of the lower conductive rod on the structural inductances of TVS
图 14 电极表面材料对TVS结构电感的影响
Figure 14. Effects of electrode surface materials on the structural inductance of TVS
表 1 纵磁杯状电极TVS电流上升率
Table 1. The current rising rate of axial magnetic cup-shaped electrode in TVS
电流上升时间/μs 电流峰值/kA 电流上升率/（kA/μs） 电流上升平均值/（kA/μs） 3.1 2.13 0.69
0.712.96 2.13 0.72 3.06 2.14 0.7 3.02 2.13 0.71 3.02 2.13 0.71 3.04 2.16 0.71 3.04 2.13 0.7 2.98 2.13 0.71 3.04 2.13 0.7 3.06 2.13 0.7 
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表 2 平板电极TVS电流上升率
Table 2. The current rising rate of plate electrode in TVS
电流上升时间/μs 电流峰值/kA 电流上升率/（kA/μs） 电流上升平均值/（kA/μs） 2.92 2.19 0.75
0.752.86 2.16 0.76 2.94 2.18 0.74 2.96 2.19 0.74 2.92 2.2 0.75 2.8 2.19 0.78 2.94 2.16 0.73 3 2.19 0.73 2.98 2.2 0.74 2.94 2.19 0.74
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表 3 平板电极TVS直径对比
Table 3. Comparison of plate electrode diameters in TVS
平板电极TVS 电极直径dt/mm 
40 45 50 55 60
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表 4 TVS下导电杆长度、直径对比
Table 4. Comparison of the length and diameter of the lower conductive rod in TVS
纵磁杯状电极TVS 下导电杆长度ht/mm 下导电杆直径d0/mm 
79 30 34 84 38 42 89 46
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