Page 31 - 《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 469

式中
1 R 2 R
ω = - ， β =
LC 4L 2 2L
式中，ω、β 分别称为阻尼振荡角频率、衰减因子。电流
放电曲线的周期：

T = 2π （7）
1 R 2
LC - 4L 2
当放电回路电阻较小时，（7）式可简化为： 图 8 基于单、双 Schottky 二极管的单触发开关的电流曲线与
仿真曲线的比较
T = 2π （8） Fig. 8 Comparison between the experimental curves and fit
1 curves of the single shot switches based on the single Schott‐
LC ky diode and double Schottky diodes
在单触发开关电阻、电感和放电回路参数固定的
情况下，衰减因子、阻尼振荡角频率和放电周期均不会 4 导通机理与电阻模型

变，因此上升时间几乎保持不变。由图 7b 可知，当主
电 压 U 为 1000 V 和 1500 V 时 ，随 着 触 发 电 压 的 升 4.1 二极管电爆炸阶段
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高，流经主回路的电流 I 的峰值会随之升高，说明触发 二极管电爆炸阶段又可以分为电子雪崩、Schottky
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能量越高，Schottky 结电爆炸后等离子化程度越高，产 结或 p‐n 结的汽化以及等离子化。当二极管两端加载
生的等离子体数量也越多，当开关导通时等离子体在 的电压大于二极管反向击穿电压时，载流子在电场中
被加速获得动能，进一步使空间电荷区的晶格原子离
高电场作用下迁移、重排，从而使主回路中的电流 I 更
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子化，产生更多的载流子，因而耗尽层变得越来越宽，
大。由图 7c 可以看出，在同一主电压 U 下随着绝缘
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直至结区被反向击穿，其过程如图 9 所示。
层 PC 厚度增大，流经单触发开关的电流 I 越小，说明
2
单触发开关的电阻随着绝缘层厚度增大而增大。
3.4 双二极管并联结构对导通性能的影响
当以两个 Schottky 二极管作为触发元件时，所采集
到的单触发开关（PC 厚度 35 μm）的电流曲线如图 8 所

示。为使两个 Schottky 二极管发生同等程度电爆炸，采
用两个低压电容 C 分别放电。对比基于单个 Schottky
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二极管的单触发开关的电流曲线，在 0.22 μF/1500 V
的条件下电流峰值达到了 2218 A，比前者高出 300 A
图 9 电子雪崩示意图
左右，并且电流上升陡度大、放电周期短、电流衰减缓
Fig.9 Schematic diagram of electron avalanche
慢，说明两个 Schottky 二极管同时发生电爆炸，在单触
发开关导通时形成了两条等离子体通道，此时单触发 以 p‐n 结为例：当电流 I 穿过 p‐n 结时，p‐n 结吸收
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开关的电阻比基于单 Schottky 二极管的单触发开关的 大量的热，从而使结区发生相态变化。热量 Q 可以通
电阻更小。采用 Mathematica 软件对试验数据进行仿 过 对 穿 过 二 极 管 的 电 压 U 和 电 流 I 进 行 积 分 计 算
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真，假定开关电阻为常数，当基于单、双 Schottky 二极 而得 ［20］ ：
∫
管的单触发开关的电阻分别为 200、90 mΩ 时，电流曲 Q = U ⋅ I ⋅ d t （9）
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线与拟合曲线基本重合，说明单触发开关的电阻可以 p‐n 结温度变化可以由式（10）、（11）计算而得：
视为常数，并且阻值在毫欧级，也说明采用多个二极管 Q
ΔT = （10）
并联时，单触发开关的电阻可以按照并联电阻计算公 C V
式进行估算。 以及

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 6 期 （465-472）