Page 29 - 《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 467

n n
Σ j = 1 T j Σ j = 1 λ j I j
ˉ
3 电气性能测试 T = n ，ξ = n ， λ = I j + 1
j
式中，L 为放电回路等效电感，H；R 为放电回路等效电
采 用 高 压 差 分 探 头（Tektronix THDP 0200）和
阻，Ω；T 为平均周期，s；C 为主电容 C 的容值，F；ξ 为电
ˉ
Rogowski线圈（CWT Mini‐HF 60），分别测量电压和电 2
流衰减平均系数；I 和 I 分别是正向振荡电流峰值，A。
流信号，定义 U 为二极管两端的压降，U 为电容 C 两 j j+1
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端的压降；I 和 I 分别是触发回路和主回路中的电流。
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2
3.1 无负载时单触发开关的放电特性
当主回路中只包含电容 C 和单触发开关时，即为
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无 负 载 状 态 。 当 触 发 电 容 C（2.2 mF）和 主 电 容 C 2
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（0.22 μF）分别加压 90 V、1500 V 时，基于 Schottky 结
二极管的单触发开关（PC 厚度 25 μm）的放电曲线如
图 4 所示。当 IGBT 导通后，在电容 C 两端电压的作用
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下 Schottky 势垒被打破，并进一步引发电子雪崩；随着
能量不断注入，Schottky 结发生汽化、等离子体化，该 图 4 基于 Schottky 结二极管的单触发开关经典放电曲线
过程历时 981 ns；随后电容 C 两端的电压从 1500 V Fig. 4 Typical discharge curves of the single shot switch
2
based on Schottky diode
开始下降，经过 14 ns，绝缘层 PC 被击穿；主回路中脉
冲大电流 I 开始上升，在 275 ns 内达到了峰值。 根据公式（1）和（2），得到放电回路的等效电感为
2
根据美军标 MIL‐DTL‐23659D 的要求，短路放电 100 nH，等效电阻为 200 mΩ。表 1 为文献［11］及本
电流曲线应至少包含 5 个等间隔减幅的振荡波形，由 研究的实验结果。由表 1 可以看出，基于 Schottky 结
此可以计算出放电回路的等效电感、电阻 ［16-17］ ： 二极管的单触发开关在同等发火能量下，达到的峰值
T ˉ 2 电流比文献［11］中的峰值电流低，这是由于放电回路
L = （1）
2
4π C 电 感 较 大 ，致 使 储 存 在 电 容 中 的 能 量 部 分 转 化 为 磁
2L 能。电感较大，一方面是因为实验用电容 C 为薄膜电
R = lnξ （2） 2
T ˉ 容 ，其 脚 线 较 细 长 ；另 一 方 面 ，在 测 试 时 为 保 证
式中： Rogowski 线圈能穿过回路，放电回路被加长了一段。

表 1 实验与文献［11］中的单触发开关性能对比
Table 1 Comparison of the electrical performance between results from the reference and our experiment
capacitor voltage current risetime resistance inductance
/ μF / V peak / A / ns / mΩ / nH
ref.［11］ 0.17 800 1236 100 400 16.6
single shot switch based on Schottky diode 0.22 1500 2279 275 200 100

当触发电容 C（0.91 μF）和主电容 C（0.22 μF）分
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别加压 700、1200 V 时，得到基于 p‐n 结二极管的单触
发开关（PC 厚度 25 μm）的放电曲线如图 5 所示。对
比图 4、图 5 可以看出，基于 Schottky 结二极管和基于
p‐n 结二极管的两种单触发开关的导通具有相似性。
当 IGBT 开关导通以后，历时 834 ns，p‐n 结发生电爆
炸；随后主电压 U 迅速下降，历时 14 ns，绝缘层 PC 被
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击 穿 ；脉 冲 大 电 流 I 开 始 上 升 ，在 159 ns 内 达 到 了
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图 5 基于 p‐n 结二极管的单触发开关经典放电曲线
2068 A 的峰值电流。 Fig. 5 Typical discharge curves of single shot switch based
触发电容所储存的能量 E 可以通过容值 C 和充电 on p‐n diode
t
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CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 6 期 （465-472）