Page 57 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

基 于 MOS 控 制 晶 闸 管 的 高 压 电 容 放 电 特 性 417

文章编号：1006‑9941（2019）05‑0417‑09

基于 MOS 控制晶闸管的高压电容放电特性

覃 新，朱 朋，徐 聪，杨 智，张 秋，沈瑞琪

（南京理工大学 化工学院，江苏 南京 210094）

摘 要： 为了研究国产金属氧化物半导体（MOS）控制晶闸管（Metal‑Oxide‑Semiconductor controlled thyristor，MCT）与高压陶
瓷电容组成的电容放电单元（Capacitor Discharge Unit，CDU）的放电特性，设计制备出体积为 40 mm（L）×25 mm（W）×8 mm（H）
的 CDU，其回路电感约 10 nH，电阻约 100 mΩ。首先分析了 CDU 回路的 R⁃L⁃C 零输入响应方程，采用 CDU 负载短路放电实验进
行验证，研究发现随着电容值的增大，CDU 的峰值电流、峰值电流上升时间、高压电容的放电时间等关键参数均增大；随着放电电压
的升高，峰值电流增大，峰值电流上升时间不变。采用微型爆炸箔芯片（Cu 桥箔 35 mΩ）和硼/硝酸钾（Boron‑Potassium Nitrate，
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BPN）点火药（硼粉/1.50 μm，压药密度/1.57 g·cm ）验证了 CDU 的作用效能，在 0.36 μF/1.20 kV 下，测得回路峰值电流 2.032 kA，
桥箔两端电压 0.9273 kV，峰值电流、电压延迟时间 32.4 ns，爆发点时刻 168.2 ns，爆发点功率 1.490 MW，且 CDU 能可靠进行 BPN
的飞片冲击点火。结果表明，基于国产 MCT 和高压陶瓷电容的 CDU 基本适用于爆炸箔起爆器等脉冲大电流激发火工品，但其综合
性能仍需改进。
关键词：金属氧化物半导体（MOS）控制晶闸管；电容放电单元；爆炸箔起爆器；硼/硝酸钾（BPN）点火药
中图分类号：TJ45 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018147

ide‑Semiconductor Controlled Thyristor，MCT）作 为
1 引 言 大功率 MOS 控制半导体器件的典型代表，其优势在于

可采用常规 MOS 栅控信号控制开关导通，在百纳秒级
随 着 武 器 装 备 的 发 展 需 求 ，爆 炸 箔 起 爆 器
时间内脉冲峰值电流可达数千安培，正向阻断耐压上
（Exploding Foil Initiator，EFI）等脉冲大电流激发火工
千伏，可以进行无损检测，因而 MCT 适用于点火与起
品正朝着集成化、耐高过载、无损检测、低压触发等方
爆系统的 CDU 。
［8］
向 发 展 ［1-3］ 。 应 用 于 该 类 电 火 工 品 的 电 容 放 电 单 元
近年来，国外已陆续出现了将 MCT 应用于电容放
（Capacitor Discharge Unit，CDU）主要包括高压电容
电单元、直列式电子安保系统等装置的报道。2002 年，
和高压开关，CDU 可以提供高功率脉冲能量，从而实 Hanks ［9］ 的 专 利 使 用 了 MCT 控 制 高 压 电 容 放 电 。
现爆炸箔、爆炸桥丝的点火与起爆。所以，高压开关需
2008 年 ，克 鲁 格 设 计 公 司（Kluge Design Inc，KDI）
要 具 有 电 阻 小 、电 感 小 ，导 通 能 力 强 ，稳 定 可 靠 等 特 ［10-11］ 公布了采用直列式电子安保系统和低能爆炸箔
［4］
点 。目前，适用于 EFI 的 CDU 通常采用火花隙开关、 起爆器的多管火箭系统（Multiple Launch Rocket Sys‑
肖特基单触发开关、平面三电极开关等高压开关 ［5-7］ 。 tem，MLRS），MCT 已在型号武器上得以应用。2010
而金属氧化物半导体（MOS）控制晶闸管（Metal‑Ox‑ 年，Oliver Barham ［12］ 公布的美国陆军研发的电子安保
系统采用了全电子器件，高压开关选用了 MCT。2016
收稿日期：2018⁃06⁃04；修回日期：2018‑09⁃05 年，Max Perrin ［13］ 介绍了欧洲低能爆炸箔研究进展，指
网络出版日期：2018‑12‑27
基金项目：江苏省自然科学基金资助（BK20151486） 出未来 MCT 等半导体开关将逐步替代火花隙开关。
作 者 简 介 ：覃 新（1994-），男 ，在 读 硕 士 ，主 要 从 事 直 列 式 电 子 安 保 2017 年，Michael Deeds ［14］ 介绍了 G2M 公司的小型电
装置研究。e‑mail：11610300420@njust.edu.cn
子安保系统，采用商用级 MCT 实现了电子安保系统的
通 信 联 系 人 ：朱 朋（1978-），男 ，博 导 ，副 研 究 员 ，主 要 从 事 先 进 火
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工品技术研究。e‑mail：zhupeng@njust.edu.cn 平面化（面积约 10 cm ），推动了低能爆炸箔起爆系统
引 用 本 文 ：覃 新 ,朱 朋 ,徐 聪 ,等 . 基 于 MOS 控 制 晶 闸 管 的 高 压 电 容 放 电 特 性 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(5):417-425.
QIN Xin, ZHU Peng, XU Cong,et al. Characterization of High‑Voltage Capacitor Discharge Unit Based on MOS Controlled Thyristor[J]. Chinese Journal of
Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2019,27(5):417-425.
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 5 期 （417-425）