Page 61 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019
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基 于 MOS 控 制 晶 闸 管 的 高 压 电 容 放 电 特 性                                                               421

            表 3  不同电容下 CDU 回路的电感、电阻和周期计算值
            Table 3  Calculated values of inductance，resistance and period of CDU circuit with different capacitance
                            inductance                     resistance                     period

                            standard  standard deviation   standard  standard deviation   standard  standard deviation
            capacitance average  deviation  coefficien  average  deviation  coefficien  average  deviation  coefficien
            / μF      / nH                          / mΩ                           / ns
                            / nH     / %                   / mΩ     / %                   / ns     / %
            0.18      10.09  0.9927  9.835          114.1  31.90    27.96          276.0  17.38    6.295
            0.22      10.44  0.9616  9.208          106.8  26.72    25.02          310.7  18.21    5.862
            0.36      8.825  0.6304  7.144          78.55  24.56    31.27          366.7  17.40    4.745


                                                                路电感的自感电动势与电感值和电流变化率呈正相
                                                                关，与电源（电容）电压无关。桥箔电爆后，电流变化率
                                                                            -1
                                                                约 20 kA·μs ，因此，约 200 V（未考虑爆炸箔电感下
                                                                的最小值）的自感电动势加到已经电爆的桥箔两端，已
                                                                经电爆的桥箔容易发生尖端放电，产生可见电弧。另
                                                                外，对比图 4 与图 3，前者的放电结束时间明显更短，而
                                                                后者的峰值电流更大。因为前者对应 EFI 电爆，CDU
                                                                回路特性近似为 EFI 由短路突然跃变至断路状态，EFI
            图 4  桥箔电爆时完整的波形图                                    断路后无能量供给，流经 EFI 的电流会较快降至零点，
            Fig.4  Complete waveform diagrams of electric explosion of  放电时间较短；而后者的 CDU 回路近似为短路，参考
            exploding foil
                                                                式（6），R 越小，峰值电流越大。
                根据图 4，分析桥箔电爆时 MCT 的栅压曲线：虽                           本研究采用 0.36 μF 电容与 MCT 组成的 CDU，在
            然栅极控制电压是±5 V，但在 CDU 放电过程中，MCT                       不同电容放电电压下，对微型爆炸箔芯片进行电爆性

            栅压存在接近±20 V 的剧烈震荡。因为在高压陶瓷电                          能测试，得到回路电流、桥箔两端电压、桥箔功率曲线
            容放电期间 ，放电回路的 di/dt 极大（例如 ，表 2 中的                    如图 5 所示。
                       -1
            20.18 kA·μs ），此时，MCT 的寄生电感和寄生电容在                           t b
                                                                    2  ∫  u ( t ) ⋅ i ( t )dt
            栅 极 和 栅 返 回 极 之 间 产 生 了 较 高 的 感 应 电 压 ，经 过          η =    0                                   （10）
            TVS 吸 收 浪 涌 能 量 ，栅 压 钳 位 在 ± 20 V 之 间 。 分 析                  C ⋅ u 0 2
            MCT 阴阳极电压曲线：高压电容放电开始前，MCT 阴                             CDU 回路能量利用率按公式（10）计算，t 为爆发
                                                                                                         b
            阳极电压即为电容放电电压，在 MCT 导通后，回路能                          点时刻   ［21］ ，ns；即作用于桥箔的功率最大时刻，C 为电
            量开始衰减，因为 MCT 具有整流功能，所以 MCT 两端                       容器容值，μF；u 为电容放电初始电压，kV。
                                                                              0
            电 压 曲 线 仅 在 正 方 向 上 衰 减 。 分 析 EFI 两 端 电 压 曲             从图 5 可知，随着电容放电电压的增加，回路峰值
            线：出现一个电压峰，说明桥箔电爆了一次。在放电回                            电流和 EFI 峰值电压均呈逐渐增加的趋势，同时峰值
            路导通后，电流流过 EFI，焦耳热效应使得 EFI 经历固、                      电流与峰值电压时刻点逐渐靠近。发现峰值电压均滞
            液、气、等离子体相态变化，EFI 电阻急速上升，在桥区                         后于峰值电流，说明桥箔爆炸时间处于电流下降沿阶
            电阻达到最大时，EFI 两端出现电压峰值，EFI 发生电爆                       段，桥箔电爆能量不足，虽然作用在桥箔上的能量可有
            而导致桥箔断开，随后电压下降至零。分析放电回路                             效利用，但是桥箔充分电爆的可靠性降低。结合表 4，
            电流曲线：电流存在两个波峰和一个波谷，波谷对应桥                            随着电容放电电压的增加，桥箔的爆发时间、峰值电压
            箔电爆点，此时产生第一次弧光放电，而出现第二个波                            时间、峰值电流时间三者逐渐重合，但是回路的能量利
            峰说明桥箔电爆后又再次导通，此时产生第二次弧光                             用率却是先增加后减小，在 0.85 kV 时能量利用率达
            放电。分析认为第二次弧光放电是因为 CDU 回路特                           到最大值 47.47%，这是因为桥箔的峰值电流时间和
            性（见图 3）导致电流再次增大，回路电感产生的自感                           峰值电压时间均达到最大（见表 4），延长了电热转换
            电动势引起了空气击穿：结合公式 E =-Ldi/dt，说明回                      时间。但是 0.85 kV 对应的 EFI 峰值功率并未异常增
                                            L

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