Page 27 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

基 于 二 极 管 电 爆 炸 的 单 触 发 开 关 导 通 机 理 465

文章编号：1006‐9941（2019）06‐0465‐08

基于二极管电爆炸的单触发开关导通机理

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徐 聪 ，胡 博 ，朱 朋 ，叶迎华 ，沈瑞琪 1
（1. 南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2. 陆军炮兵防空兵学院，安徽 合肥 230031）
摘 要： 采用磁控溅射、紫外光刻、化学气相沉积等微机电加工技术，制备了基于 Schottky 结二极管和 p‐n 结二极管的两种单触发
开关，分析了无负载时它们的放电特性，两种开关在 0.22 μF/1500 V、0.22 μF/1200 V 下达至 2000 A 左右的峰值电流。研究了触发
电容容值、触发电压、主电压、绝缘层厚度和双二极管并联结构对导通性能的影响，发现随着触发电容容值的增加，最小触发电压逐
渐降低；减小绝缘层厚度、提高触发电压和主电压，均有利于峰值电流的升高；双二极管并联作为触发元件时，峰值电流比基于单个
二极管的单触发开关更高，上升时间更短。根据单触发开关的放电特性曲线，将其作用过程划分为二极管电爆炸、绝缘介质层击穿
和脉冲大电流上升三个阶段，阐明了各阶段的作用机制，建立了相应的电阻模型，结果表明单触发开关的电阻可以视为常数，并且阻
值在毫欧级。
关键词：高压开关；单次触发；二极管电爆炸；导通机理；电阻模型；微机电系统加工技术
中图分类号：TJ45 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018331

（Parylene C，PC），从而使上、下电极导通，电性能测试
1 引言 结果表明在 0.17 μF/800 V 的条件下，峰值电流达到
了 1236 A，上 升 时 间 约 为 100 ns。 2010 年 ，周 镇 威
高压开关是脉冲功率技术中的关键器件之一 ［1］ ，
等 ［12］ 制备了以聚酰亚胺为绝缘介质层的单触发开关，
其导通性能直接决定着脉冲电流的幅值和上升时间。
在 0.47 μF/1400 V 的条件下获得了 2700 A 的峰值电
当电容放电回路中脉冲电流峰值较低或上升时间较长
流，上升时间约为 370 ns。2015 年，胡博等 ［13］ 研究了
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时，便难以在负载上形成 10 W 以上的脉冲功率。目
单触发开关在 1000~1600 V 之间的放电性能，包括峰
前常见的高压开关有火花隙开关 ［2-5］ 、半导体开关 ［6］ 、
值电流、上升时间和延迟时间等，并且进行了初步的理
机械开关、油浸开关、电爆炸导体开关 ［7］ 等，被广泛应
论分析。2017 年，Xu C ［14］ 将单触发开关与爆炸箔起
用于核物理技术、等离子体技术、电磁脉冲模拟、爆炸
爆器一体化集成，极大地缩短了放电回路，降低了回路
［8］
［9］
箔起爆技术 等领域 。介电击穿式等离子体开关因
电阻、电感，提高了能量利用率，最后在 0.22 μF/1400 V
具有良好的导通性能、较低的导通电阻，受到了国内外
的发火条件下，成功起爆了六硝基茋（HNS）药柱。然
研究人员的广泛关注 ［10］ 。
而，针对单触发开关导通机理和电阻模型的研究一直
2009 年，美国 T. A. Baginski 等 ［11］ 设计制备了一 比较薄弱，尚未形成成熟的理论及数学模型。本研究
种基于绝缘介质击穿原理的单触发开关，通过肖特基 采用磁控溅射、紫外光刻、化学气相沉积等微机电加工
二极管发生电爆炸，击穿绝缘介质层聚氯代对二甲苯 技 术（Micro Electro Mechanical System，MEMS），制
备了基于 Schottky 结二极管和 p‐n 结二极管的两种单
收稿日期：2018⁃11⁃27；修回日期：2019‐01⁃19
网络出版日期：2019‐04‐01 触发开关。利用高压差分探头、Rogowski 线圈测试了
基金项目：江苏省自然科学基金（BK20151486） 单触发开关的放电特性，研究了触发电容、触发电压、
作 者 简 介 ：徐 聪（1993- ），男 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 微 芯 片 爆 炸 箔 主电压、绝缘层厚度与双二极管并联结构对单触发开
起爆技术研究。e‐mail：congxu@njust.edu.cn
关导通性能的影响。根据单触发开关的放电特性曲
通 信 联 系 人 ：朱 朋（1978- ），男 ，博 导 ，副 研 究 员 ，主 要 从 事 先 进 火
工品技术研究。e‐mail：zhupeng@njust.edu.cn 线，阐明了整个导通过程中各阶段作用机制，建立了相
引 用 本 文 ：徐 聪 ,胡 博 ,朱 朋 ,等 . 基 于 二 极 管 电 爆 炸 的 单 触 发 开 关 导 通 机 理 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(6):465-472.
XU Cong, HU Bo, ZHU Peng,et al. Conduction Mechanism of the Single Shot Switch Based on Electro‑explosion of Diode[J]. Chinese Journal of
Energetic Materials（ Hanneng Cailiao ）,2019,27(6):465-472.
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 6 期 （465-472）