近年來隨著能源領域持續發展創新，承擔電流接通和分斷任務的開關成為基礎性關鍵元器件。實際應用中，不論是在電力機車、船舶、航空等傳統領域，還是在光伏、電動汽車、儲能等新能源領域，絕大多數場合仍然采用機械開關。

機械開關分斷電流時產生電弧，受電弧影響，機械開關的觸點會溶蝕甚至粘連，觸點間的絕緣耐壓水平急劇下降而接觸阻抗急劇上升，導致機械開關的性能、壽命、可靠性等都存在技術性缺陷。因此，對電弧的控制成為機械開關領域亟待攻克的重大關鍵技術難點。

隨著電力電子技術的不斷發展，采用功率半導體器件的電子開關也開始在部分領域應用，但受過載能力、發熱量、擊穿風險等諸多客觀因素制約，電子開關的應用也遇到了瓶頸。

機械開關分斷過程中，當觸點間電壓場強達到一定強度，通常在觸點間距很小時只需要十幾伏特的電壓，就能使觸點材料發生電子發射并電離觸點間的介質而形成電弧，電弧在觸點間產生數千至數萬攝氏度的高溫，高溫使觸點間形成熱發射和熱游離并維持電弧持續放電。如圖1所示，電弧一旦形成，主要靠熱能維持，電弧之間僅需要很低的維持電壓，一般陰極區只需十幾伏特，陽極區只需零至十幾伏特，弧柱區每厘米僅需幾伏特的電壓。

圖1 電弧示意圖

根據電弧形成的物理特性，傳統機械開關通常采用控制弧隙介質游離程度和去游離程度、控制弧隙溫度以及增加弧隙間電壓的方法進行滅弧。

采用特定的弧隙介質，例如真空或特定氣體，能控制弧隙介質游離程度和去游離程度；增加弧隙距離，如追加滅弧柵或增加觸點數量，能增大弧隙電壓并改善散熱；改變弧柱路徑，如采用特定弧柱管道、氣吹、油吹、磁吹等，可降低弧溫及離子濃度；提高分斷速度、增大觸點間開距等也能增加電弧發生的難度。

但傳統的機械、物理滅弧方法，不僅對機械式開關的結構設計有嚴格的技術要求，在應用上也存在斷弧時間長（毫秒級）、電氣壽命短（數次至數千次）、體積大、性價比低的缺點。利用諧振制造電流零點的電子滅弧方法不僅對機械式開關本身有嚴格的要求，更需要根據機械式開關的實際應用工況來調配諧振參數，應用的普適性受到限制；另外，諧振建立的過程需要耗費長達數個毫秒的時間，導致電弧持續時間比較長，諧振采用的感容元件也導致其體積大、質量重、價格高。

根據機械開關產生的電弧特性，近年來出現了新型的電子滅弧技術，這些電子滅弧技術獨立于機械開關本身，可與現有的機械開關配合使用。

基于這些電子滅弧技術的器件或與機械開關并聯或與負載并聯，與機械開關并聯式電子滅弧器件采用功率半導體器件，在機械開關分斷過程中分流機械開關上的電流并將機械開關兩端的電壓限定在數伏特的較低水平，從而阻止了產生電弧必須的強電場發射和熱電子發射建立的條件；與負載并聯式電子滅弧器件采用儲能型電子器件，在機械開關分斷過程中適時瞬間提供高能量電壓脈沖，以大幅度降低機械開關兩端的電場強度，從而加速電弧的去游離過程而阻止電弧的持續燃燒。

以下介紹幾種電子滅弧技術及其實用效果。

1 AST技術

專利“CN 106847581 B”描述了一種交流滅弧技術及其實現，稱為AST，其原理如圖2所示。

圖2 AST技術原理圖

AST內含有功率器件Triac和監控驅動模塊，監控驅動模塊能夠識別機械開關SW的分斷動作并在分斷開始時驅動晶閘管器件Triac導通，機械開關SW分斷完畢后晶閘管器件Triac在電流零點時自動截止。

圖3是利用AST技術后在機械開關SW分斷容性負載過程中各部位的波形圖。

圖3中各序號代表的時刻分別為：①機械開關SW開始分斷；②AST識別機械開關SW分斷后驅動晶閘管Triac導通； ③機械開關SW兩端電壓繼續保持約為0，電流變為0；④晶閘管Triac在電流過零時自動截止，機械開關SW兩端出現壓差。

圖3 AST技術在機械開關SW分斷過程中的測試波形

從圖3中可見，在機械開關SW分斷時，機械開關SW上的電流瞬間降為零，分斷過程所在的半個周期內其兩端的電壓持續維持在零附近，該半周期內電流經過晶閘管Triac流向負載。

AST技術對負載特性不敏感，可廣泛應用在阻性負載、容性負載和感性負載中。AST技術中采用的晶閘管導通時間被限定在半個周期內，由于其過載能力強，即使采用較小額定電流的晶閘管也具有極強的電流滅弧能力。采用AST技術的滅弧器件，其工作電壓受晶閘管的額定工作電壓限制，因此其適合工作在數千伏特以下的電路中。

2 ASD技術

專利“CN 106783297 B”描述了一種直流滅弧技術及其實現，稱為ASD。與AST技術原理類似，ASD內含有全控型功率器件和監視驅動模塊，圖4是其中的一種實現。

圖4 ASD技術原理圖

監視驅動模塊識別到機械開關SW的分斷動作后在分斷開始時驅動IGBT導通，機械開關SW分斷完畢后監視驅動模塊適時關斷IGBT。

圖5是利用ASD技術后在機械開關SW分斷感性負載過程中各部位的波形圖。圖5中各序號代表的時刻分別為：①機械開關SW分斷；②機械開關SW兩端電流快速降低為0，IGBT上電流上升；③機械開關SW分斷后，其兩端電壓保持為0，電流持續由IGBT提供；④IGBT關斷，感性負載上出現負壓導致機械開關SW上出現過壓；⑤IGBT上的電流截止。

ASD技術工作的最大電壓和最大電流會受內部全控型功率器件規格的限制，其對電流的分斷速度快，應用在感性負載的工況時需要在負載端并聯電壓鉗位元件限制反向過壓。

圖5 ASD技術在機械開關SW分斷過程中的測試波形

3 AAE技術

專利“CN 108962647 A”描述了一種全新直流滅弧技術及其實現，稱為AAE。AAE技術是一種基于二端元件的技術。圖6是AAE技術實現的核心原理圖，AAE技術內含儲能電容Cap，機械開關SW閉合時，儲能電容Cap充電；機械開關SW分斷過程中，監視驅動模塊驅動晶閘管SCR導通，儲能電容Cap瞬間放電，放電形成的脈沖使得機械開關SW兩端的壓差遠小于電弧的弧隙維持電壓而阻斷通過機械開關SW上的電流。

圖6 AAE技術原理圖

基于AAE技術的二端器件（后稱AAE器件）并聯在負載兩端，機械開關SW斷開時，AAE器件無靜態電流消耗且不影響機械式開關SW的絕緣性和耐壓特性；機械開關SW閉合后，AAE器件的靜態消耗電流低至0～10◆A內。

AAE器件內采用晶閘管SCR為放電電子開關元件，通常AAE器件放電時間短至數十至數百個微秒之間，由于晶閘管SCR短時過載力極強，因此很容易達到數千安培電流的滅弧能力。AAE器件內部充放電環路相互獨立，通過內部元件的串聯提升AAE器件的耐壓等級變得非常簡單。

AAE器件的監控驅動模塊在識別到電弧后，可根據需要設定釋放高能脈沖的時機。選擇在電弧建立初期即強電場發射的電子碰撞游離期釋放高能脈沖時能夠將電弧控制在起弧階段，但是，此時釋放的高能脈沖需要有足夠的幅度和寬度，足夠幅度能阻止機械開關SW的觸點之間場電子持續發射，足夠寬度能保證有足夠的時間實現弧隙間去游離過程以恢復已受到破壞的弧隙間介質強度。為滿足對脈沖幅度和寬度的要求，需要儲能電容有足夠的容量。

在工程實踐中，由于受儲能電容（或線路本身）分布電感和內阻、機械開關SW分斷速度等的影響，在高電壓大電流時單純依靠提升電容容量難以確保滅弧的可靠性。

AAE技術提供了兩種解決方案：①AAE器件內部采用倍壓技術提升儲能電容上的電壓使其高于工作電壓一定比例；②監控驅動模塊在電弧起弧后延遲一定的時間，待弧隙電壓升高到一定程度后再釋放高能脈沖。

采用方案①后，滅弧時電弧間的電場被反向，電弧陰極區電子難以持續發射，電弧弧柱區游離的離子被加速去游離，弧隙介質強度快速恢復；采用方案②后，釋放高能脈沖時，機械開關觸點間間距已增大到一定程度，弧隙電壓強度將超過工作電壓。方案①、②的實施，確保了滅弧的可靠性。

圖7是普通繼電器（型號Churd CHAR-112A150 400V AC T85）采用AAE技術后分斷阻性負載的波形圖，分斷電壓DC 800V，分斷電流360A。

圖7中各序號代表的時刻分別為：①機械開關SW觸點開始分斷，電弧產生，機械開關SW兩端開始出現壓差；②AAE器件識別到電弧后延遲約320◆s釋放高能脈沖，高能脈沖比額定電壓高10%；③AAE器件釋放高能脈沖時機械開關SW兩端電場降低到0以下；④機械開關SW上的電流被快速切斷；⑤AAE器件持續為負載提供短暫的電流，防止負載電流突變。

由圖7可見，采用AAE技術后，原本僅限定在交流中使用的普通繼電器具有了可分斷電壓DC 800V、電流360A的能力，電弧的燃燒時間被穩定地控制在400◆s以內。

圖8是普通繼電器（型號Churd CHAR-112A150 400VAC T85）應用AAE技術后進行3000次分斷壽命試驗后的觸點損傷情況，分斷電壓DC 800V、電流360A。

表1是圖8所示普通繼電器在應用AAE技術后進行壽命試驗前后的部分電氣數據。

圖7 AAE技術在機械開關SW分斷過程中的測試波形

圖8 普通繼電器應用AAE技術進行壽命試驗后觸點損傷情況

表1 普通繼電器采用AAE技術進行壽命試驗前后的電氣參數

測試條件：①常溫測試（約25℃PH40%）；②阻性負載；③繼電器驅動電壓DC 12V；④電源DC 800V接通后穩定通1ms斷30s；⑤接觸阻抗采用電流電壓法；⑥絕緣阻抗采用電壓電流法。

測試表明，AAE技術大幅度地提高了機械開關額定可分斷工作電壓和分斷電流等級，數量級地增加了機械開關的電氣壽命，與傳統的滅弧方式相比具有明顯優勢。AAE技術對電弧的運動路徑不再需要進行嚴苛的要求，采用AAE技術，不僅可以簡化機械式開關結構的設計，還可以方便地與已有的機械式開關配合使用。

AAE技術實現的難點在于：①針對不同類型的機械式開關特性和不同的應用工況選取合適的參數以確保能正確識別出電弧的發生時刻；②選擇合適的儲能電容以確保能夠釋放出足夠寬度和幅度的高能脈沖。目前已開發出成熟的可應用技術，能夠從大量的紋波和干擾中準確地識別出電弧；對于儲能電容，可在控制燃弧持續時間、機械開關的目標電氣壽命以及性價比之間進行平衡，選擇合適類型的電容。

為了提高儲能電容的利用率，出現了一種稱為AMU的技術，它通過復用儲能電容能夠對多路機械開關進行滅弧，并能夠對機械開關的通斷及故障狀態進行管理。

4 結論

本文介紹了3種最新的電子滅弧技術，其中AST技術和ASD技術采用功率器件與機械開關并聯的方式，輔以電子識別和控制技術，在機械開關分斷時旁路流經機械開關的電流而達到滅弧的效果，AAE技術提出了一種全新的直流電子滅弧理論，即通過在負載端提供高能脈沖來抵消電弧的弧隙電壓、加速電弧的復合去游離過程、降低電弧的離子濃度，達到快速滅弧和提高弧隙電壓強度的目的。

AST技術應用在交流電路中，ASD技術主要應用在低電壓（3kV以下）小電流（數百安培以下）的直流電路中，AAE技術較ASD技術擁有更廣的應用領域。

AST技術能極大地提高機械開關的電氣壽命；ASD技術不僅能極大地提高機械開關的電氣壽命，還能提升機械開關的應用電壓、電流等級；AAE技術的滅弧器件結構簡單，使用方便，相對地擺脫了對機械開關特性的依賴，可靠性高，它不僅能數量級地提升機械開關的電氣壽命，而且能大幅度提升機械式開關的額定分斷工作電壓和電流，AAE技術眾多的優點使其成為一種可廣泛推廣的電子滅弧技術。