电感储能重量轻，压缩型存储的断路开关介绍

电感储能中对断路开关的性能要求为导电性良好；能流过大电流、阻断电流时阻抗变化大、电流阻断后具有大的阻抗、不会因电流阻断时产生的高电压而遭到破坏和能够快速返回到工作前的状态。

完全满足以上条件的开关虽然不存在，但是为了充分发挥电感储能重量轻、压缩型存储方式最大优点的断路开关却是可能的。电流阻断时，开关两端产生的电压U_L为

式中，R为开关的阻抗；L₀为从开关侧看到的电源的等效电感。

下面介绍几种常见的断路开关。

1.熔丝

虽然熔丝在重复工作上存在问题，但是为了能够轻易快速阻断大的电流，在基础实验中仍然经常使用它。从电流经过熔丝开始到电流被阻断的这段导通时间取决于熔丝的材质，形状和周围媒介。当熔丝中流过大电流时，由于焦耳热会使熔丝熔化变为液体和气体，而断路开关在汽化时阻抗变化很大，这个机理在脉冲功率的产生中得以利用。

汽化后的蒸气和冲击波一起膨胀，由于随着密度的减少容易产生绝缘破坏，为了抑制膨胀，用水作为周围媒介，水中可以熔断熔丝。图1-9是断开负载时的典型输出波形。当流过熔丝的电流随着熔丝阻抗变化而不断减小时，就产生了电感电压。图1-10所示的是熔丝长度和输出电压的关系，由图可以看出，存在一个最合适的熔丝长度。在熔丝比较短的情况下，汽化后铜蒸气通道的绝缘破坏电压限制了输出电压。

图1-9 断开负载时的电流I_t、电压U和熔丝阻抗R曲线

图1-10 使用熔丝时输出电压与熔丝长度的关系(www.xing528.com)

虽然安全电压只能完成基本的触发动作，但是如果可以连续提供熔丝就能实现反复工作。

2.等离子体断路开关

等离子体断路开关（Plasma Opening Switch，POS）是20世纪70年代中后期开始发展起来的，是一种利用在高真空阴阳极间注入密度约在10¹²～10¹⁴cm^-3范围内的等离子体实现电流传导，并在约10～100ns时间内迅速实现断开的快速断路开关。

等离子体断路开关的工作过程可被划分为图1-11所示的4个顺序衔接的阶段，即电流传导、等离子体融蚀、增强融蚀和电子流磁绝缘阶段。只要开关所传导的电流密度低于在相应情况下可预估的阈值，等离子体就相当于一个良导体，此即电流传导阶段（见图1-11a）。电流传导是通过一个处于阴极表面称为“鞘层”的电荷非中性区实现的，并以双极空间电荷限制方式进行的，其中阴极是电子发射极，而等离子体则是离子发射极。当开关电流增加到足够大，以至于从等离子体发射出来的离子流达不到双极空间电荷条件所要求的密度时，鞘层就要变厚，以提供更多的离子满足该条件，这就是等离子体融蚀阶段（见图1-11b），此时，开关（鞘层）阻抗开始增大。当开关电流增加到使电子在其产生的角向磁场中的平均回旋半径小到可与鞘层厚度相比时，鞘层中电子的寿命显著延长，从而导致空间电荷条件向着需要更多离子的方向转化，这就是增强融蚀阶段（见图1-11c），在此阶段中，鞘层的厚度增加最快，因此开关的阻抗也增加得最快。在增强融蚀阶段，由于开关阻抗增大，因此流过开关的电流迅速减小，由于储能电感的存在，开关两端就会感生一个脉冲高电压，驱动负载，此时在整个开关区域均存在很强的角向磁场。当负载电流增大到电子在此角向磁场中的平均回旋半径远小于鞘层厚度时，开关就进入了电子流磁绝缘阶段（见图1-11d），此时开关断开到最大程度，最大份额的电流通过负载。

图1-11 等离子断路开关的4个工作阶段

a）电流传导 b）等离子体融蚀 c）增强融蚀 d）电子流磁绝缘

等离子体断路开关的断路时间可短至纳秒，但等离子体断路开关技术复杂是其主要缺点。

具有导电性的等离子区可以阻断电流，最初的等离子具有导电性，通过等离子区的电流可以将一次电源的电容能量转变为电感能量。适当选取等离子的参数，电感能量达到最大时，等离子的电阻率逐渐增加，并向负载提供能量。等离子区电阻率的增加机理因装置的结构不同而不同。图1-12所示是POS工作时的电源电流和负载电流。能在大约40ns的短时间里上升到200kA电流，此时的电流上升率最大为3×10¹²A／s。

图1-12 POS工作时的典型电流波形