Page 71 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

172 杨智，朱朋，徐聪，张秋，覃新，沈瑞琪

简单、阻抗低、触发电压小且闭合速度快；缺点即其特 200 kV、电感 69~85 nH、在 400 J 能量作用下使用次
点是只能一次导通高压，不能重复性使用，而且绝缘介 数超过 5000 次。2011 年，Baginski T A 等 ［37-38］ 设计制
质的耐压性能难以精确控制。 备了一种含 PI 绝缘层的开关，该开关可直接集成到传
2012-2016 年，胡博 ［30-34］ 通过在陶瓷基覆铜板上 统带状线 CDU 中，降低了发火回路的寄生电感。
直接制备出肖特基单次触发高压开关，简化了制备工 2006 年，王桂吉等 ［39］ 制作出一种适用于平行板传
艺，并申请了专利。作者观察了肖特基二极管的电爆 输连接的平面火花隙三电极高压开关，两主电极为半
炸现象，测量了等离子体电荷通量、电子温度和密度等 圆形的不锈钢，触发电极为窄细条的钨铜合金。该开
特征参数，分析了开关的触发极性效应。研究了不同 关应用于充电电压小于 10 kV 的脉冲功率装置（包括
介电层材料（PC 和 PI）、封装材料（AB 胶、HTPB 橡胶和 McEFIs）时，与立体火花隙三电极开关相比，优化了回
704 胶）、SBD 等对开关导通性能的影响规律，获得了 路的参数：放电回路电感降低约 50 nH，周期缩短近
提高开关导通性能可供参考的工艺参数。研究了在不 1/3，峰值电流增加约 1/3。2012 年，丁桂甫 ［40］ 、周镇
同开关主回路电压下开关的电气性能规律，结果表明 威 ［41］ 等采用表面微加工技术设计并制作了开关。得
开关的主回路峰值电流和开关主回路充电电压呈正相 出开关的峰值电流为 3.45 kA，上升时间为 164 ns；通
关，但上升时间、主回路等效电感与主电压无显著性 过电路仿真并提取参数，得出开关的电感为 26.5 nH，
关系。 电阻为 66 mΩ，认为该开关具有较好的实用化前景。
3.3 平面火花隙三电极高压开关 2011 年和 2013 年，Zhao X ［42］ 、Shen H ［43］ 和 Liu C ［44］ 等
平面火花隙三电极高压开关，其作用原理类似传 设计制备了两种不同结构的开关，它们都包括两个半
统立体火花隙三电极高压开关（特指气体开关）：先给 圆形的主电极，但是触发电极区分单、双结构。研究结
保持绝缘的阴阳主电极间充直流高压，当给触发极施 果表明：相较于常用 SBD 单次触发高压开关，这两种
加特定的脉冲电压信号后，阴极与触发极间形成高的 结构的平面火花隙三电极高压开关均能降低触发电
击穿场强，产生一定数量的自由电子，自由电子与气体 压、提高峰值电流及缩短延迟时间，同时具有双触发电
经历碰撞倍增过程，致使开关阴阳极瞬间导通。一方 极的开关性能更优越。
面，相较于立体火花隙高压开关，平面火花隙三电极高 2013 年曾庆轩 ［45］ 、吕军军 ［46］ 等共同制备了具有
压 开 关 更 易 于 与 McEFI 集 成 ，提 高 了 McEFIs 的 集 成 多个不同间隙的平面火花隙三电极高压开关。作者在
度，通过采用 MEMS 工艺或者 LTCC 工艺制备，能够实 不同氮气压力下，研究平面火花隙开关的电气性能，结
现批量化制备，因而成本较低；另一方面，相较于单次 果表明：开关的自击穿电压与氮气压力和间隙的乘积
触发高压开关固有的作用一次性特点，在耐烧蚀材料 呈线性关系；当工作电压为自击穿电压的 70%~90%
层 的 保 护 下 ，该 开 关 能 多 次 重 复 使 用 且 不 影 响 作 用 时，开关延迟短、抖动小，性能较为稳定；与商用立体火
性能。 花隙高压开关相比，该开关所在发火回路的电感较小，
1991 年 ，Earley L M 和 Scott G L ［25］ 采 用 铜⁃聚 酰 但电阻较大。2016 年，李志浩 ［47］ 为了减小开关体积、
亚胺印刷电路研制了两种平面火花隙三电极高压开 提高开关可靠性，使用环氧树脂作为填充材料，对平面
关，开展开关性能测试研究，获得了不同间隙电压下开 火花隙三电极高压开关设计制备并进行性能表征，但
关延迟时间（从给触发电压信号开始到开关主回路明 由于选用作填充材料的环氧树脂的绝缘强度较大，阻
显出现电流的时间）和抖动以及使用寿命等信息，并且 碍了开关触发电压的减小。
使用光电倍增管和高速分幅相机研究了开关的触发机 2018 年，陈楷 ［16］ 依据传统气体开关的工作模式，
制。开关可以满足常规弹药发火装置的使用要求，且 采用 MEMS 工艺直接刻蚀 PCB 覆铜板以及利用 LTCC
价格低。1993 年，Waschl J A 和 Hatt D J ［35］ 在扁平铜 工艺分别设计并制备了平面火花隙三电极高压开关，

带电缆上刻蚀出开关，并与两种真空开关进行了包括 研制的开关的两主电极具有单弧道和多弧道两种结
电感、电阻及发火电压在内的对比试验研究，结果表 构，其中，采用 LTCC 工艺制备的开关如图 8 所示。
明：开关类型对发火电压、飞片速度及能量利用率等的 开关在氩气和空气两种氛围下，自击穿电压与主
影 响 不 显 著 ，同 时 该 开 关 的 电 感 较 低 ，可 应 用 于 电极间隙均呈线性正相关，而电极形状对自击穿电压
McEFIs 中。2008 年 Woodworth J 等 ［36］ 研制了两种用 的影响不大；开关工作电压在其自击穿电压的 78%~
于线性变压器驱动的低电感开关，该开关可以充电至 92% 时，延迟时间最短；在空气环境下，多弧道开关相

Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.2, 2019（167-176） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn