冷陰極開關(guān)設(shè)備及轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說明】冷陰極開關(guān)設(shè)備及轉(zhuǎn)換器
[〇〇〇1]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交于2013年3月15日，題為“可靠的具有液體陰極的大功率氣體開關(guān)”的臨時(shí)美國專利申請?zhí)?0/790, 650的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，據(jù)此其全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明總體上涉及冷陰極開關(guān)設(shè)備。具體地，本發(fā)明涉及適于在高壓功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用的冷陰極開關(guān)設(shè)備。
[0004]半導(dǎo)體開關(guān)由于其可靠性及壽命長而廣泛用于高壓功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。然而，每個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的開路隔離電壓相對較低(例如，大約10kV)，這樣不得不將很多半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)地堆疊在一起以處理高電壓(300_1000kV)。此外，使用半導(dǎo)體開關(guān)的高壓功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本及復(fù)雜性可能非常地高。
[0005]氣體開關(guān)能夠隔離(stand off)較高的電壓，例如大于100kV。然而，氣體開關(guān)并未被廣泛地使用，因?yàn)槠淇煽啃院蛪勖蛔阋杂糜陔娋W(wǎng)應(yīng)用中。在切換操作期間，部分地由于離子轟擊、濺射、加熱以及蒸發(fā)導(dǎo)致的對陰極表面的損壞會(huì)使得出現(xiàn)可靠性低和壽命短。
[0006]因此，需要改進(jìn)的氣體開關(guān)結(jié)構(gòu)。此外，希望具有可用于高壓功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的可靠的氣體開關(guān)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—個(gè)實(shí)施例涉及冷陰極開關(guān)設(shè)備。該冷陰極開關(guān)設(shè)備包含:限定腔室的殼體；布置在該腔室中的可電離氣體；以及布置在該腔室中的多個(gè)電極。多個(gè)電極包括限定放電間隙的陰極和陽極，且其中該陰極和陽極中的至少一個(gè)包含在該陰極或陽極的工作溫度為液體的材料。
[0008]另一個(gè)實(shí)施例涉及冷陰極開關(guān)設(shè)備。冷陰極開關(guān)設(shè)備包含:限定腔室的殼體；布置在該腔室中的可電離氣體；以及布置在該腔室中的至少四個(gè)電極。該電極包括限定放電間隙的陰極和陽極，且其中該陰極和陽極中的至少一個(gè)包含在該陰極或陽極的工作溫度為液體的材料。
[0009]另一個(gè)實(shí)施例涉及功率轉(zhuǎn)換器。功率轉(zhuǎn)換器包含:輸入部；輸出部；以及至少一個(gè)電耦合于該輸入部和輸出部之間的冷陰極開關(guān)設(shè)備。該冷陰極開關(guān)設(shè)備構(gòu)造為將交流(AC)轉(zhuǎn)換為直流(DC)，或?qū)⒅绷?DC)轉(zhuǎn)換為交流(AC)。該冷陰極開關(guān)設(shè)備包含:限定腔室的殼體；布置在該腔室中的可電離氣體；以及布置在該腔室中的多個(gè)電極。多個(gè)電極包括限定放電間隙的陰極和陽極，且其中該陰極和陽極中的至少一個(gè)包含在該陰極或陽極的工作溫度為液體的材料。
【附圖說明】
[0010]通過參照附圖閱讀下面詳細(xì)的描述，將會(huì)更好地理解本發(fā)明的這些或其它特征、方面和有益效果，其中整個(gè)附圖中相似的標(biāo)記表示相似的部件，其中:
[〇〇11] 圖1根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例示出了冷陰極開關(guān)設(shè)備；
[0012]圖2根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例示出了冷陰極開關(guān)設(shè)備；以及
[0013]圖3根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例示出了功率轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施例
[0014]下面將描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)具體的實(shí)施例。為了簡單地描述這些實(shí)施例，可能在說明書中未描述實(shí)際的實(shí)施方案的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解在任意該實(shí)際實(shí)施方案的研發(fā)中，如在任意工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須做出多種具體實(shí)施方案的決定來實(shí)現(xiàn)研發(fā)者的具體目標(biāo)，如符合關(guān)于系統(tǒng)及關(guān)于商業(yè)的限制，其可能從一種實(shí)施方案到另一種實(shí)施方案是不同的。此外，應(yīng)該理解該研發(fā)成果可能是復(fù)雜而且耗時(shí)的，然而對于得益于本公開的那些普通技術(shù)人員來說是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及制造的常規(guī)任務(wù)。
[0015]在下面的說明書和權(quán)利要求中，單數(shù)形式的“一”、和“該”包括復(fù)數(shù)個(gè)參考物，除非本文另有明確的指示。如本文所使用的，術(shù)語“或者”并不意在排他而是指存在參考部件中的至少一種，并且包括存在參考部件組合的情況，除非本文另有明確的指示。
[0016]近似性語言，如本文貫穿說明書和權(quán)利要求所使用的，可用于修飾任意定量的表達(dá)，其可以被允許變化而不會(huì)引起與其相關(guān)的基本功能中的改變。因此，由一個(gè)術(shù)語或多個(gè)術(shù)語如“大約”修飾的值并不限于精確的具體值。在某些情形中，近似性語言可對應(yīng)于用于測量數(shù)值的儀器的精度。
[0017]如本文所使用的，術(shù)語“可能”和“可能是”表示:一系列情況下發(fā)生事情的可能性；具體性質(zhì)、特性或功能的具備；和/或限定另一動(dòng)詞，其通過表達(dá)與限定的動(dòng)詞相關(guān)的能力、性能或可能性中的一種或多種。因此，使用“可能”和“可能是”表示所修飾的術(shù)語顯然對于所表示的性能、功能或使用來說是適當(dāng)、能夠或適合的，而考慮到某些情況，所修飾的術(shù)語有時(shí)不是適當(dāng)、能夠或適合的。
[0018]如下文詳細(xì)描述的，本發(fā)明的某些實(shí)施例涉及一種冷陰極開關(guān)設(shè)備。本文所使用的術(shù)語“開關(guān)設(shè)備”是指當(dāng)開關(guān)設(shè)備閉合時(shí)，電流從一個(gè)電極經(jīng)由放電間隙流向另一個(gè)電極并且當(dāng)開關(guān)設(shè)備斷開時(shí)沒有電流流過的設(shè)備。本文所使用的術(shù)語“冷陰極開關(guān)設(shè)備”是指包括在冷陰極工作模式中工作的陰極的開關(guān)設(shè)備。在冷陰極工作模式中，響應(yīng)在陰極表面的沖擊離子(“二次電子發(fā)射”)從陰極表面發(fā)射電子。
[0019]二次電子發(fā)射不同于其它電子發(fā)射和等離子體保持機(jī)構(gòu)，如:熱電子發(fā)射(其中陰極熱得足以使電子蒸發(fā)，并且不需要離子沖擊)；場致發(fā)射(其中非常強(qiáng)的電場，在陰極表面達(dá)到107v/cm數(shù)量級(jí)，能夠?qū)㈦娮永^表面的封閉靜電勢)；熱場發(fā)射(前面兩個(gè)過程的協(xié)同組合)；或光電發(fā)射(其中沖擊光子將電子從表面發(fā)射)。如通常所知曉的，在實(shí)際的陰極中，所有的過程可同時(shí)發(fā)生，但是一個(gè)過程相對于其它過程會(huì)引起更高數(shù)量級(jí)的電流，并且那個(gè)過程的名稱可隨后用于描述陰極的工作以及整個(gè)等離子體和設(shè)備的某些特性。
[0020]“冷陰極”開關(guān)設(shè)備還包括陰極材料，響應(yīng)于來自等離子體的離子的沖擊而從陰極材料發(fā)射電子僅微弱取決于材料的溫度，并且即使改變溫度使材料熔化或冷凍也不會(huì)明顯地變化。因此，對于所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員來顯而易見的是，在冷陰極開關(guān)設(shè)備中，工作期間的陰極表面溫度明顯低于發(fā)生大量熱電子發(fā)射時(shí)的溫度。為了簡化，可將術(shù)語“冷陰極開關(guān)設(shè)備”、“開關(guān)設(shè)備”、“開關(guān)”在本文互換地使用。
[0021]圖1示意性地示出了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的冷陰極開關(guān)設(shè)備100。如圖1所示，冷陰極開關(guān)設(shè)備100包含限定腔室111的殼體110。可電離氣體112布置在腔室111中。開關(guān)設(shè)備100還包括多個(gè)布置在腔室111中的電極120 (為了簡化，圖1示出了兩個(gè)該電極)。此外，如圖1所示，多個(gè)電極120包括限定放電間隙130的陽極122和陰極124。陰極124和陽極122中的至少一個(gè)包括在陰極124或陽極122的工作溫度為液體的材料140。為了示出的目的，在圖1中，所呈現(xiàn)的陰極124包括材料140。
[0022]本文所使用的術(shù)語“陰極或陽極的工作溫度”指的是在開關(guān)設(shè)備100處于閉合狀態(tài)工作期間的陰極124或陽極122的溫度。如前面指出的，當(dāng)開關(guān)設(shè)備100閉合時(shí)，電流從陰極124經(jīng)由放電間隙130流向陽極122。在一些實(shí)施例中，工作溫度在大于600攝氏度的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，工作溫度在從大約-30攝氏度到大約600攝氏度的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，工作溫度在從大約0攝氏度到大約450攝氏度的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，工作溫度在從大約20攝氏度到大約300攝氏