1 引言

高压开关是脉冲功率技术中的关键器件之一^[1]，其导通性能直接决定着脉冲电流的幅值和上升时间。当电容放电回路中脉冲电流峰值较低或上升时间较长时，便难以在负载上形成10⁶ W以上的脉冲功率。目前常见的高压开关有火花隙开关^[2,3,4,5]、半导体开关^[6]、机械开关、油浸开关、电爆炸导体开关^[7]等，被广泛应用于核物理技术、等离子体技术、电磁脉冲模拟、爆炸箔起爆技术^[8]等领域^[9]。介电击穿式等离子体开关因具有良好的导通性能、较低的导通电阻，受到了国内外研究人员的广泛关注^[10]。

2009年，美国T. A. Baginski等^[11]设计制备了一种基于绝缘介质击穿原理的单触发开关，通过肖特基二极管发生电爆炸，击穿绝缘介质层聚氯代对二甲苯（Parylene C，PC），从而使上、下电极导通，电性能测试结果表明在0.17 μF/800 V的条件下，峰值电流达到了1236 A，上升时间约为100 ns。2010年，周镇威等^[12]制备了以聚酰亚胺为绝缘介质层的单触发开关，在0.47 μF/1400 V的条件下获得了2700 A的峰值电流，上升时间约为370 ns。2015年，胡博等^[13]研究了单触发开关在1000~1600 V之间的放电性能，包括峰值电流、上升时间和延迟时间等，并且进行了初步的理论分析。2017年，Xu C^[14]将单触发开关与爆炸箔起爆器一体化集成，极大地缩短了放电回路，降低了回路电阻、电感，提高了能量利用率，最后在0.22 μF/1400 V的发火条件下，成功起爆了六硝基茋（HNS）药柱。然而，针对单触发开关导通机理和电阻模型的研究一直比较薄弱，尚未形成成熟的理论及数学模型。本研究采用磁控溅射、紫外光刻、化学气相沉积等微机电加工技术（Micro Electro Mechanical System,MEMS），制备了基于Schottky结二极管和p‑n结二极管的两种单触发开关。利用高压差分探头、Rogowski线圈测试了单触发开关的放电特性，研究了触发电容、触发电压、主电压、绝缘层厚度与双二极管并联结构对单触发开关导通性能的影响。根据单触发开关的放电特性曲线，阐明了整个导通过程中各阶段作用机制，建立了相应的电阻模型。

2 设计与制备

单触发开关的基本结构包括下电极、绝缘层、上电极和触发元件二极管，其作用原理如图1所示^[11]：触发前将触发回路中的电容C₁和主回路中的电容C₂充到相应的电压；向绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的栅极输入一个5~15 V的脉冲信号，IGBT开关导通；当二极管两端的电压大于其反向击穿电压时，二极管被反向击穿，结区发生汽化、等离子化，形成冲击波；在机械冲击的作用下，上、下电极之间的绝缘介质层被击穿；高压以电弧的形式穿过上、下电极，单触发开关导通。

图1 单触发开关结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the single shot switch

单触发开关的制备涉及了磁控溅射、紫外光刻、化学气相沉积等多项MEMS技术，其工艺流程如图2所示。以陶瓷片为基底，采用磁控溅射技术沉积Cu膜，利用紫外光刻技术刻蚀出下电极和焊盘。通过化学气相沉积技术，在下电极上沉积PC作为绝缘层。采用磁控溅射技术和紫外光刻技术，制备上电极。以SU‑8胶作为结构材料，通过紫外光刻技术制备约束槽。采用机械切割，将陶瓷基片上的单触发开关阵列分解成独立单元。将二极管阳极朝下，粘接在上电极之上，其阴极以铝丝键合引出，压焊到焊盘1上，作为触发极；扁平铜带一端粘接在上电极之上，另一端压焊在焊盘2上，作为共地极。最后将绝缘电子灌封胶填入约束槽，在60 ℃下加热2 h固化。制得的单触发开关样品如图3所示。

图2 单触发开关的工艺流程图

Fig.2 Fabrication process of the single shot switch

图3 单触发开关样品图

Fig.3 Photograph of the single shot switch

由于Schottky二极管反向击穿电压较低，一般只有几十伏，因而在极端环境下容易失效，难以满足500 V安全性要求^[15]。此外，Schottky二极管的触发电压虽然较低，然而所需能量较高，因而触发电容一般为电解质电容，体积较大，不利于器件的小型化。由于整流二极管具有较高的反向击穿电压，并且p‑n结更易于汽化，因此本研究同时选取一种反向击穿电压为600 V的p‑n结二极管，作为触发元件。

3 电气性能测试

采用高压差分探头（Tektronix THDP 0200）和Rogowski线圈（CWT Mini‑HF 60），分别测量电压和电流信号，定义U₁为二极管两端的压降，U₂为电容C₂两端的压降；I₁和I₂分别是触发回路和主回路中的电流。

3.1 无负载时单触发开关的放电特性

当主回路中只包含电容C₂和单触发开关时，即为无负载状态。当触发电容C₁（2.2 mF）和主电容C₂（0.22 μF）分别加压90 V、1500 V时，基于Schottky结二极管的单触发开关（PC厚度25 μm）的放电曲线如图4所示。当IGBT导通后，在电容C₁两端电压的作用下Schottky势垒被打破，并进一步引发电子雪崩；随着能量不断注入，Schottky结发生汽化、等离子体化，该过程历时981 ns；随后电容C₂两端的电压从1500 V开始下降，经过14 ns，绝缘层PC被击穿；主回路中脉冲大电流I₂开始上升，在275 ns内达到了峰值。

图4 基于Schottky结二极管的单触发开关经典放电曲线

Fig.4 Typical discharge curves of the single shot switch based on Schottky diode

根据美军标MIL‑DTL‑23659D的要求，短路放电电流曲线应至少包含5个等间隔减幅的振荡波形，由此可以计算出放电回路的等效电感、电阻^[16,17]：

式中：

式中,L为放电回路等效电感，H；R为放电回路等效电阻，Ω；T¯为平均周期，s；C为主电容C₂的容值，F；ξ为电流衰减平均系数；I_j和I_j+1分别是正向振荡电流峰值，A。

根据公式（1）和（2），得到放电回路的等效电感为100 nH，等效电阻为200 mΩ。表1为文献[11]及本研究的实验结果。由表1可以看出，基于Schottky结二极管的单触发开关在同等发火能量下，达到的峰值电流比文献[11]中的峰值电流低，这是由于放电回路电感较大，致使储存在电容中的能量部分转化为磁能。电感较大，一方面是因为实验用电容C₂为薄膜电容，其脚线较细长；另一方面，在测试时为保证Rogowski线圈能穿过回路，放电回路被加长了一段。

当触发电容C₁（0.91 μF）和主电容C₂（0.22 μF）分别加压700、1200 V时，得到基于p‑n结二极管的单触发开关（PC厚度25 μm）的放电曲线如图5所示。对比图4、图5可以看出，基于Schottky结二极管和基于p‑n结二极管的两种单触发开关的导通具有相似性。当IGBT开关导通以后，历时834 ns，p‑n结发生电爆炸；随后主电压U₂迅速下降，历时14 ns，绝缘层PC被击穿；脉冲大电流I₂开始上升，在159 ns内达到了2068 A的峰值电流。

图5 基于p‑n结二极管的单触发开关经典放电曲线

Fig.5 Typical discharge curves of single shot switch based on p‑n diode

触发电容所储存的能量E_t可以通过容值C₁和充电电压U计算得到：

经过大量试验，结果表明：Schottky结二极管的最小触发条件为2.2 mF/40 V，E_t,₁=1.76 J；p‑n结二极管的最小触发条件为0.91 μF / 600 V，E_t,₂=0.16 J。显然，后者的触发能量更低。

3.2 触发电容容值对触发电压的影响

文献[11]给出的基于Schottky结二极管的单触发开关的触发条件为2 mF/50 V，市面上容值在毫法级的电容只有电解质电容，其体积一般在数十至数百立方厘米。为进一步减轻电路负担、降低触发条件，采用容值为2.2，1，0.68，0.47，0.2，0.1 mF的电解质电容分别作为触发电容，试验结果如图6所示。最低触发电压定义为：Schottky二极管被反向击穿、电爆以后，单触发开关三次均不能导通的最大电压。根据图6可知，随着触发电容容值减小，最小触发电压急剧升高，呈现出反比关系，这说明Schottky结的电爆炸与能量有关。当触发电容C₁提供的能量不足以使Schottky结发生电爆炸，或电爆炸太弱，产生的冲击难以击穿绝缘层PC^[18]，开关都不会导通。

图6 最小触发电压与触发电容容值之间的关系

Fig.6 The relationship between minimum trigger voltage and the trigger capacitance

通过非线性数据拟合，得到最小触发电压与触发电容C₁容值之间的关系为：

从图6可以看出，触发电容容值为2.2 mF时最小触发电压与拟合曲线相差较大，这是因为本研究选用的Schottky二极管的反向击穿电压为40 V，低于此电压则二极管不能被反向击穿。

3.3 主电压、触发电压与绝缘层厚度对导通性能的影响

图7给出了基于Schottky结二极管的单触发开关的峰值电流随主电压、触发电压与绝缘层PC厚度变化的关系，每个数据点均试验5次。由图7a可知，随着主电压U₂的升高，峰值电流呈线性增加的趋势，说明单触发开关的导通电阻为常数。由于主回路只包含单触发开关、脉冲功率电容C₂以及连接线，因而可以简化为RLC振荡电路。根据Kirchhoff定律，RLC振荡电路的回路方程为^[19]：

a. under different main voltages

b. under different trigger voltages

c. under three kinds of PC thicknesses

图7 主电压、触发电压与绝缘层厚度对单触发开关峰值电流的影响

Fig.7 Influence of the main voltage, trigger voltage and PC thickness on the peak current of the single shot switch

则电流表达式为：

式中

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：

当放电回路电阻较小时，（7）式可简化为：

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变，因此上升时间几乎保持不变。由图7b可知，当主电压U₂为1000 V和1500 V时，随着触发电压的升高，流经主回路的电流I₂的峰值会随之升高，说明触发能量越高，Schottky结电爆炸后等离子化程度越高，产生的等离子体数量也越多，当开关导通时等离子体在高电场作用下迁移、重排，从而使主回路中的电流I₂更大。由图7c可以看出，在同一主电压U₂下随着绝缘层PC厚度增大，流经单触发开关的电流I₂越小，说明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C₁分别放电。对比基于单个Schottky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左右，并且电流上升陡度大、放电周期短、电流衰减缓慢，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，此时单触发开关的电阻比基于单Schottky二极管的单触发开关的电阻更小。采用Mathematica软件对试验数据进行仿真，假定开关电阻为常数，当基于单、双Schottky二极管的单触发开关的电阻分别为200、90 mΩ时，电流曲线与拟合曲线基本重合，说明单触发开关的电阻可以视为常数，并且阻值在毫欧级，也说明采用多个二极管并联时，单触发开关的电阻可以按照并联电阻计算公式进行估算。

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

Fig.8 Comparison between the experimental curves and fit curves of the single shot switches based on the single Schottky diode and double Schottky diodes

4 导通机理与电阻模型

4.1 二极管电爆炸阶段

二极管电爆炸阶段又可以分为电子雪崩、Schottky结或p‑n结的汽化以及等离子化。当二极管两端加载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子化，产生更多的载流子，因而耗尽层变得越来越宽，直至结区被反向击穿，其过程如图9所示。

图9 电子雪崩示意图

Fig.9 Schematic diagram of electron avalanche

以p‑n结为例：当电流I₁穿过p‑n结时，p‑n结吸收大量的热，从而使结区发生相态变化。热量Q可以通过对穿过二极管的电压U₁和电流I₁进行积分计算而得^[20]：

p‑n结温度变化可以由式（10）、（11）计算而得：

以及

式中，C_V是硅的定容热容，J·kg^-1·K^-1；C_P是硅的定压热容，J·kg^-1·K^-1；ρ是硅的密度，kg·m^-3；V是p‑n结结区的体积，m³。当温度变化超过硅的沸点，p‑n结即发生汽化以及等离子化，产生冲击波。

4.2 绝缘介质层击穿阶段

当二极管结区汽化、等离子化以后，会产生数十兆帕的冲击波，分别向上、下两侧传播，如图10所示。向下传播的冲击波首先经过上电极，当到达上电极与PC界面处，发生透射与反射。当反射波达到上电极上表面时，由于二极管电爆炸产生的等离子体密度较小，因而反射波再次反射，成为稀疏波。当稀疏波追赶上PC中的冲击波时，就会使压力卸载，因而压力持续时间τ可定义为：

图10 冲击波传播示意图

Fig.10 Schematic representation of shockwave propagation

式中，d_T为上电极的厚度，m；D_T为冲击波在上电极中的传播速度，m·s^-1。由此可知，绝缘层击穿仅需几十纳秒。

当PC处于弹性状态时，冲击波可以解耦为一维弹性纵波和一维弹性剪切波。当PC进入塑性状态以后，由于压缩和剪切分量之间的耦合，形成压剪塑性耦合波^[21]。假定塑性耦合波的影响可以忽略，则冲击波可以简化为独立传播的压缩波。在弹性阶段PC中的应力‑应变关系可以由式（7）描述：

式中，E为杨氏模量，MPa；d为PC厚度，μm。经查知：PC的杨氏模量为3200 MPa，屈服强度为69 MPa。当二极管电爆炸产生的冲击压力达到69 MPa时，PC发生了塑性变形，厚度由25 μm压缩至24.46 μm。由于PC局部被压缩形成“凹坑”，上电极表面的电荷迅速集中在“凹坑”处，下电极表面的电荷则集中在“凹坑”的对应位置。在单触发开关导通以前，上、下电极可视为电容的极板，绝缘层可视为电容的介质层，开关结构可简化为电容模型，电容容值C为：

式中，ε是介电层的介电常数；S是电容极板的正对面积，m²；k是静电力常量，N·m·C^-1；d是电容极板的距离，m；q是电容器所带电荷量，C；U是电容器两极间的电压，V。当绝缘层PC发生塑性变形以后，假定“凹坑”截面积与二极管电爆炸结区面积相当，在微米量级，则此时上电极面积S′为原来的1/10⁶，电容值C′也为原来的1/10⁶。在电荷量Q不变的情况下，U′变为原来的10⁶倍，PC难以承受10⁹ V量级的高压，因而发生电击穿。

4.3 脉冲大电流上升阶段

当绝缘介质层PC被击穿后，单触发开关导通。对于等离子体通道，利用修正的Spitzer公式^[22]可估算通道电导率σ_c，即：

式中，T_e为等离子体电子温度，K；n_e为电子密度，m^-3。电子温度T_e可通过双谱线测温法得到，电子密度n_e可采用平行电极板法测定^[23]。通过估算等离子体通道长度l和半径r，即可计算等离子体通道的电阻R_p：

式中，ρ_p为等离子体通道的电阻率，Ω·m；S为通道的横截面积，m²。

通过式（15）和（16）可以计算出等离子体通道的电阻，实际上等离子体的电导率很高，电阻R_p非常小，在毫欧量级。由式（16）还可以看出，随着绝缘层厚度的增加，等离子体通道l变长，电阻更大，因而在同一主电压U₂下，得到的峰值电流会略小，这与图7c相吻合。对于基于双Schottky二极管的单触发开关而言，在导通时通道的横截面积S′变为之前的2倍，因而电阻也更小，这与图8相吻合。

5 结 论

（1）基于Schottky结、p‑n结二极管的两种单触发开关分别在0.22 μF/1500 V、0.22 μF/1200 V下达到了2000 A左右的峰值电流，上升时间为200~300 ns，可以满足爆炸箔起爆器等脉冲功率器件的使用要求。前者的最小触发条件为2.2 mF/40 V，需要的触发能量较高，但适宜于低压下工作；后者的最小触发条件为0.91 μF/600 V，需要的触发能量较低，但是能够满足500 V安全性要求。

（2）以基于Schottky结二极管的单触发开关为例，随着触发电容容值的增加，最小触发电压逐渐降低，二者之间关系可以描述为C^0.65U_t,min=0.44；当主电压、触发电压升高和绝缘层厚度降低时，放电回路中的峰值电流均增大；当单触发开关导通时形成两个或多个等离子体通道，峰值电流会更高。

（3）根据单触发开关的作用特点，将其作用过程划分为二极管电爆炸、绝缘介质层击穿和脉冲大电流上升三个阶段，并且详细阐明了各个阶段作用机制，建立了相应的电阻模型，结果表明单触发开关的电阻可以视为常数，并且其阻值在毫欧级。

（责编：姜 梅）

参考文献