Page 59 - 《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 419

流经过第二条回路，流经 FRD 对电容充电直到 u（t）为 （3）式具有阻尼振荡方程的形式，其解为：
R
正，以此往复，直到电容存储的能量消耗完毕。当 u（t） u ( t ) = u e - 2L t cos( ωt + α ) （4）
为正时，基于 MCT 的 CDU 的放电过程可等效为 R⁃L⁃C 0 2
电路，当 u（t）为负时，CDU 的放电过程可等效为 R′⁃C ω = 1 - R ， α ∝ (R，L，C ) （5）
LC 4L 2
电路（R 转变为 R′，R′代表 FRD 内阻），如图 2 所示。其
回路中的电流为：
中，C 为高压储能电容；L 为主回路等效电感，主要包括
d u( t ) - R t R 1
传输线电感和引线分布电感；R 为主回路等效电阻，主 i( t )=C =C•u e 2L ( - cos( ωt )- sin( ωt ) )（6）
d t 0 2L LC
要包括传输线电阻以及 MCT 导通电阻。
式中，电容初始放电电压为 u ，电容电压为 u（t），kV；
0
表 1 MCT 电性能参数 回路初始放电电流为 0，放电电流为 i（t），kA；回路电
Table 1 Electrical performance parameters of MCT 阻为 R，mΩ；电感为 L，nH；电容为 C，μF。
parameters test conditions measurements
对式（6）作定性分析，研究 CDU 回路峰值电流的
V D（BR） / V V GK =0 V，I D =100 µA ＞1400
影响因素：（1）回路电流峰值与 u 呈正相关，但 u 的升
I D / μA V GK =0 V，V D =1400 V ＜0.1 0 0
高 对 MCT 和 电 路 的 绝 缘 要 求 变 高 ，这 可 能 会 损 坏
V GK（TH） / V V AK =V GK ，I AK =250 μA 3.2
V GKS / V - ±25 MCT（MCT 的阈值电压为 1.40 kV），且 CDU 难以小型
T a / ℃ - -45-85 化；（2）回路电流峰值与容值 C 呈正相关，但 C 变大时
t d（ON） / ns C=0.47 μF，L=20 nH， 100 主回路放电周期会延长；（3）回路电流峰值与回路电
（di/dt）/ kA·µs -1 V GK =0 V to +5 V， 45 感 L 呈负相关，所以 L 需要尽可能小；（4）回路电流峰
I PEAK / A V AK =1250 V 4000
值 与 回 路 电 阻 R 呈 负 相 关 ，所 以 R 需 尽 可 能 小 。 在
Note： V D（BR） is the anode to cathode breakdown voltage， I D is the an‑
ode‑cathode off‑state current， V GK（TH） is the gate‑cathode turn‑on CDU 回 路 中 ，u 的 升 高 受 限 于 MCT 耐 压 ，不 能 超 过
0
threshold voltage. V GKS is the continuous gate‑cathode voltage，T a is 1.40 kV，而且放电回路的传输线电感和引线分布电感
the ambient temperature，t d（ON） is the turn‑on delay time，di/dt is the
rate of change of current，I PEAK is the peak anode current. 是回路电感的主要来源，所以需着重减小 CDU 的 L 和
R，解决方法为优化印制电路板布局，缩短回路电气连
接线。
为了对比电容值和放电电压对 CDU 回路放电特
性的影响，本研究分别对 0.18，0.22 μF 和 0.36 μF 三
种电容与 MCT 集成的 CDU 回路，进行了短路放电测
试，得到放电电流曲线如图 3 所示。利用罗果夫斯基
电 流 环 采 集 铜 带 处 电 流 信 号 。 根 据 美 军 标
MIL‑DTL‑23659D 的要求，短路放电电流曲线至少应
包含 5 个等间隔减幅的振荡波形，这可以保证 CDU 回
图 2 CDU 放电过程等效电路示意图
Fig.2 Schematic diagram of equivalent circuit for CDU dis‑ 路的等效电阻对电能的损耗在可接受范围内。由图 3
charge process 可知，在同一容值下，随着放电电压增加，回路峰值电
流也增加，回路峰值电流上升时间基本重合；回路无负
根据基尔霍夫电压定律，当 u（t）为正时，CDU 放
向电流，是因为快恢复二极管反向并联在电容两端，将
电 过 程 可 用 R⁃L⁃C 串 联 电 路 的 零 输 入 响 应 方 程（1）、
电容放电阶段产生的反向电流续流，即回路电流只在
（2）来描述 ［18］ 。
d i ( t ) 单方向上作衰减震荡。
u ( t ) + L + Ri ( t ) = 0 （1）
d t 在 1.20 kV 放电电压下，测试得到不同电容组成
u ( 0 ) = u ， i ( 0 ) = 0 （2） 的 CDU 放电特征参数如表 2 所示。其中，定义上升时
0
因为电流大小仅仅由电容决定，将 i ( t )=C⋅d u ( t ) / d t 间为回路电流从零到第一峰值之间的延迟时间，电流

代入（1）式得： 上升率为在第一峰值电流的 10% 到 90% 期间对应的
d u ( t ) d u ( t ) 电流变化量，电流周期 T 近似为相邻电流峰值之间的
2
LC + RC + u ( t ) = 0 （3）
d t 2 d t 时间差，放电时间为 5 个电流放电周期。由表 2 可知，

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 5 期 （417-425）