适用于爆炸箔起爆器的电爆炸等离子体开关技术研究

发布时间：2017-08-23 00:11

  本文关键词：适用于爆炸箔起爆器的电爆炸等离子体开关技术研究

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【摘要】：脉冲功率开关是爆炸箔起爆系统(Exploding Foil Initiator System,EFIS)中的关键器件,高导通电流、高开关速率和低电感、低导通电阻的开关技术是目前迫切需要解决的技术。传统的阴极真空开关虽然能够满足EFI的电性能要求,但是这种开关制造成本高、抗环境适应性低等,不能够满足EFI小型化和抗冲击的需求。研制具备全固态、微型化和低成本的高导通电流、高转换速率、低感、低导通电阻的高压大电流开关成为新一代EFI的重点研究方向。本文根据平面电爆炸开关原理和肖特基二极管(Schottky Barrier diode,SBD)单触发开关原理,通过MEMS工艺集成制作平面复合薄膜电爆炸开关和肖特基单触发开关,并且对两种开关的设计与集成方法、工作特性和规律、触发和导通机理等科学问题开展了研究,取得以下研究进展。(1)在单质铜薄膜平面电爆炸开关的基础上,通过在触发电极桥区部分增加AI/CuO复合薄膜提高开关性能,利用仿真软件优化了开关电极结构,分析比较了不同结构的电爆炸平面开关在有无约束状态下的性能。研究结果表明,无约束状态下当充电电压为1500 V时,开关峰值电流为1142 A,比约束状态下的峰值电流高52.8%,在约束状态下和一定电压范围内开关中的Al/CuO复合薄膜的铝热反应能够提高电流峰值,在无约束状态下复合薄膜对峰值电流影响不显著。(2)通过在陶瓷基覆铜板上直接制备肖特基单触发开关,简化了制备工艺,通过对肖特基二极管电爆炸现象的观察,等离子体电荷通量、电子温度和密度等特征参数的测量,分析了肖特基单触发开关的触发极性效应。研究结果表明,SBD、上电极和电容器之间存在四种不同的组合连接方式,采用P-状态(SBD阳极和上电极连接与施加反向偏置电压的组合)触发有利于SBD单触发开关的作用。(3)通过不同电介质材料、封装材料、SBD对开关导通特性影响的实验,研究了其对开关导通性能的影响规律,获得了提高开关导通性能可供参考的工艺参数:聚氯代对二甲苯(ParyleneC)薄膜为电介质层材料优于聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜;不同封装材料下开关的性能排序为:AB胶HTPB橡胶704胶;SBD面积较大的单触发开关峰值电流更大。(4)研究了肖特基单触发开关在主回路电压下的电气性能规律,结果表明,当充电电压为1400 V时,开关峰值电流为1020 A,开关的峰值电流、电阻和主回路电压相关,其中峰值电流和主回路电压成线性正比关系,但是上升时间、电感和工作电压没有显著性关系。分析了触发电容器、不同类型二极管等对肖特基单触发开关触发特性的影响,结果表明,开关作用需要保证电容器能产生足够大的触发电流,产生足够充分的初始等离子体,SBD作为开关的触发元件效果好于所选的PN结二极管。(5)通过开关的原子发射光谱双谱线测温实验,研究了开关作用过程中电弧温度变化的过程,解释了开关失效的原因。采用PVDF压电薄膜测试SBD电爆炸的冲击压力,获得了 SBD电爆炸过程中冲击压力的变化过程,通过与绝缘电介质的屈服强度比较,测试SBD电爆炸冲击压力可以作为判断开关触发条件的依据之一。以RLC电路理论和电介质材料电导率模型为基础,建立了适用于肖特基单触发开关的电阻模型,该模型能够比较好地揭示回路参数对开关峰值电流和上升时间的影响。
【关键词】：单触发开关 肖特基二极管 平面开关 电爆炸 等离子体 微加工技术 爆炸箔起爆器
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ450.3;V432
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 主要符号表16-17
• 1 绪论17-27
• 1.1 研究背景及意义17-18
• 1.1.1 爆炸箔起爆技术17
• 1.1.2 适用于爆炸箔起爆器高压开关技术17-18
• 1.1.3 本文的研究意义18
• 1.2 国内外研究概况18-25
• 1.2.1 爆炸箔起爆技术的研究概况18-21
• 1.2.2 适用于爆炸箔起爆器的高压开关研究21-25
• 1.3 论文的主要研究内容25-27
• 2 电爆炸等离子体开关的结构设计27-38
• 2.1 电爆炸等离子体开关的工作原理27-28
• 2.1.1 平面电爆炸开关工作原理27-28
• 2.1.2 肖特基单触发开关工作原理28
• 2.2 平面电爆炸开关结构仿真设计28-33
• 2.2.1 触发电极的电热仿真设计28-32
• 2.2.2 主电极间隙结构设计32-33
• 2.3 肖特基单触发开关的集成设计33-37
• 2.3.1 上电极形状和模具的设计33-35
• 2.3.2 肖特基单触发开关元件35-37
• 2.4 本章小结37-38
• 3 电爆炸等离子体开关的制备与表征38-58
• 3.1 平面复合薄膜电爆炸开关的制备与表征38-50
• 3.1.1 Cu-Al/CuO复合桥膜的制备38-43
• 3.1.2 Al/CuO复合薄膜的表征43-44
• 3.1.3 复合桥箔和单质铜桥箔电爆炸特性44-47
• 3.1.4 复合桥膜和单质铜桥膜电爆炸温度特性47-50
• 3.1.5 平面复合爆炸电爆炸开关制备50
• 3.2 肖特基单触发开关的制备与表征50-56
• 3.2.1 肖特基二极管的制备50-51
• 3.2.2 电介质材料的制备与表征51-54
• 3.2.3 电极烧蚀材料制备与表征54-55
• 3.2.4 肖特基单触发开关的制备55-56
• 3.3 本章小结56-58
• 4 电爆炸等离子体开关的电气特性分析58-90
• 4.1 开关特性参数与实验平台58-61
• 4.1.1 开关特性参数58
• 4.1.2 实验平台58-61
• 4.2 平面电爆炸开关特性规律分析61-65
• 4.2.1 典型测试曲线61-62
• 4.2.2 不同状态对峰值电流的影响62-63
• 4.2.3 不同状态对上升时间和延迟时间的影响63-64
• 4.2.4 不同状态下开关图像分析64-65
• 4.3 肖特基单触发开关触发极性效应分析65-74
• 4.3.1 触发极性效应65-69
• 4.3.2 肖特基二极管电爆炸等离子体电荷通量特性分析69-71
• 4.3.3 肖特基二极管电爆炸等离子体电子温度和密度71-74
• 4.4 肖特基单触发开关导通特性研究74-82
• 4.4.1 典型测试曲线74-76
• 4.4.2 电介质材料对导通特性的影响76-77
• 4.4.3 主电压对导通特性的影响77-78
• 4.4.4 封装材料对导通特性的影响78-81
• 4.4.5 不同面积的SBD对导通特性的影响81-82
• 4.5 肖特基单触发开关触发特性研究82-85
• 4.5.1 触发电容器的影响82-83
• 4.5.2 不同类型二极管的影响83-85
• 4.6 开关电阻分析85-87
• 4.7 平面电爆炸开关与肖特基单触发开关性能对比87-88
• 4.8 本章小结88-90
• 5 肖特基单触发开关作用机理研究90-109
• 5.1 肖特基单触发开关电弧温度诊断90-93
• 5.1.1 实验平台90-91
• 5.1.2 开关电弧温度分析91-93
• 5.2 肖特基二极管电爆炸冲击应力特性分析93-98
• 5.2.1 PVDF压力传感器测试原理93-94
• 5.2.2 PVDF动态标定94-96
• 5.2.3 实验结果与分析96-98
• 5.3 肖特基单触发开关电阻模型98-108
• 5.3.1 理论模型98-101
• 5.3.2 仿真结果与分析101-108
• 5.4 本章小结108-109
• 6 总结与展望109-111
• 6.1 研究结论109-110
• 6.2 主要创新点110
• 6.3 展望及建议110-111
• 致谢111-112
• 参考文献112-119
• 附录119-120

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本文编号：721845