本文關鍵詞：適用于爆炸箔起爆器的電爆炸等離子體開關技術研究

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【摘要】：脈沖功率開關是爆炸箔起爆系統(tǒng)(Exploding Foil Initiator System,EFIS)中的關鍵器件,高導通電流、高開關速率和低電感、低導通電阻的開關技術是目前迫切需要解決的技術。傳統(tǒng)的陰極真空開關雖然能夠滿足EFI的電性能要求,但是這種開關制造成本高、抗環(huán)境適應性低等,不能夠滿足EFI小型化和抗沖擊的需求。研制具備全固態(tài)、微型化和低成本的高導通電流、高轉換速率、低感、低導通電阻的高壓大電流開關成為新一代EFI的重點研究方向。本文根據平面電爆炸開關原理和肖特基二極管(Schottky Barrier diode,SBD)單觸發(fā)開關原理,通過MEMS工藝集成制作平面復合薄膜電爆炸開關和肖特基單觸發(fā)開關,并且對兩種開關的設計與集成方法、工作特性和規(guī)律、觸發(fā)和導通機理等科學問題開展了研究,取得以下研究進展。(1)在單質銅薄膜平面電爆炸開關的基礎上,通過在觸發(fā)電極橋區(qū)部分增加AI/CuO復合薄膜提高開關性能,利用仿真軟件優(yōu)化了開關電極結構,分析比較了不同結構的電爆炸平面開關在有無約束狀態(tài)下的性能。研究結果表明,無約束狀態(tài)下當充電電壓為1500 V時,開關峰值電流為1142 A,比約束狀態(tài)下的峰值電流高52.8%,在約束狀態(tài)下和一定電壓范圍內開關中的Al/CuO復合薄膜的鋁熱反應能夠提高電流峰值,在無約束狀態(tài)下復合薄膜對峰值電流影響不顯著。(2)通過在陶瓷基覆銅板上直接制備肖特基單觸發(fā)開關,簡化了制備工藝,通過對肖特基二極管電爆炸現(xiàn)象的觀察,等離子體電荷通量、電子溫度和密度等特征參數(shù)的測量,分析了肖特基單觸發(fā)開關的觸發(fā)極性效應。研究結果表明,SBD、上電極和電容器之間存在四種不同的組合連接方式,采用P-狀態(tài)(SBD陽極和上電極連接與施加反向偏置電壓的組合)觸發(fā)有利于SBD單觸發(fā)開關的作用。(3)通過不同電介質材料、封裝材料、SBD對開關導通特性影響的實驗,研究了其對開關導通性能的影響規(guī)律,獲得了提高開關導通性能可供參考的工藝參數(shù):聚氯代對二甲苯(ParyleneC)薄膜為電介質層材料優(yōu)于聚酰亞胺(polyimide,PI)薄膜;不同封裝材料下開關的性能排序為:AB膠HTPB橡膠704膠;SBD面積較大的單觸發(fā)開關峰值電流更大。(4)研究了肖特基單觸發(fā)開關在主回路電壓下的電氣性能規(guī)律,結果表明,當充電電壓為1400 V時,開關峰值電流為1020 A,開關的峰值電流、電阻和主回路電壓相關,其中峰值電流和主回路電壓成線性正比關系,但是上升時間、電感和工作電壓沒有顯著性關系。分析了觸發(fā)電容器、不同類型二極管等對肖特基單觸發(fā)開關觸發(fā)特性的影響,結果表明,開關作用需要保證電容器能產生足夠大的觸發(fā)電流,產生足夠充分的初始等離子體,SBD作為開關的觸發(fā)元件效果好于所選的PN結二極管。(5)通過開關的原子發(fā)射光譜雙譜線測溫實驗,研究了開關作用過程中電弧溫度變化的過程,解釋了開關失效的原因。采用PVDF壓電薄膜測試SBD電爆炸的沖擊壓力,獲得了 SBD電爆炸過程中沖擊壓力的變化過程,通過與絕緣電介質的屈服強度比較,測試SBD電爆炸沖擊壓力可以作為判斷開關觸發(fā)條件的依據之一。以RLC電路理論和電介質材料電導率模型為基礎,建立了適用于肖特基單觸發(fā)開關的電阻模型,該模型能夠比較好地揭示回路參數(shù)對開關峰值電流和上升時間的影響。
【關鍵詞】：單觸發(fā)開關 肖特基二極管 平面開關 電爆炸 等離子體 微加工技術 爆炸箔起爆器
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TJ450.3;V432
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 主要符號表16-17
• 1 緒論17-27
• 1.1 研究背景及意義17-18
• 1.1.1 爆炸箔起爆技術17
• 1.1.2 適用于爆炸箔起爆器高壓開關技術17-18
• 1.1.3 本文的研究意義18
• 1.2 國內外研究概況18-25
• 1.2.1 爆炸箔起爆技術的研究概況18-21
• 1.2.2 適用于爆炸箔起爆器的高壓開關研究21-25
• 1.3 論文的主要研究內容25-27
• 2 電爆炸等離子體開關的結構設計27-38
• 2.1 電爆炸等離子體開關的工作原理27-28
• 2.1.1 平面電爆炸開關工作原理27-28
• 2.1.2 肖特基單觸發(fā)開關工作原理28
• 2.2 平面電爆炸開關結構仿真設計28-33
• 2.2.1 觸發(fā)電極的電熱仿真設計28-32
• 2.2.2 主電極間隙結構設計32-33
• 2.3 肖特基單觸發(fā)開關的集成設計33-37
• 2.3.1 上電極形狀和模具的設計33-35
• 2.3.2 肖特基單觸發(fā)開關元件35-37
• 2.4 本章小結37-38
• 3 電爆炸等離子體開關的制備與表征38-58
• 3.1 平面復合薄膜電爆炸開關的制備與表征38-50
• 3.1.1 Cu-Al/CuO復合橋膜的制備38-43
• 3.1.2 Al/CuO復合薄膜的表征43-44
• 3.1.3 復合橋箔和單質銅橋箔電爆炸特性44-47
• 3.1.4 復合橋膜和單質銅橋膜電爆炸溫度特性47-50
• 3.1.5 平面復合爆炸電爆炸開關制備50
• 3.2 肖特基單觸發(fā)開關的制備與表征50-56
• 3.2.1 肖特基二極管的制備50-51
• 3.2.2 電介質材料的制備與表征51-54
• 3.2.3 電極燒蝕材料制備與表征54-55
• 3.2.4 肖特基單觸發(fā)開關的制備55-56
• 3.3 本章小結56-58
• 4 電爆炸等離子體開關的電氣特性分析58-90
• 4.1 開關特性參數(shù)與實驗平臺58-61
• 4.1.1 開關特性參數(shù)58
• 4.1.2 實驗平臺58-61
• 4.2 平面電爆炸開關特性規(guī)律分析61-65
• 4.2.1 典型測試曲線61-62
• 4.2.2 不同狀態(tài)對峰值電流的影響62-63
• 4.2.3 不同狀態(tài)對上升時間和延遲時間的影響63-64
• 4.2.4 不同狀態(tài)下開關圖像分析64-65
• 4.3 肖特基單觸發(fā)開關觸發(fā)極性效應分析65-74
• 4.3.1 觸發(fā)極性效應65-69
• 4.3.2 肖特基二極管電爆炸等離子體電荷通量特性分析69-71
• 4.3.3 肖特基二極管電爆炸等離子體電子溫度和密度71-74
• 4.4 肖特基單觸發(fā)開關導通特性研究74-82
• 4.4.1 典型測試曲線74-76
• 4.4.2 電介質材料對導通特性的影響76-77
• 4.4.3 主電壓對導通特性的影響77-78
• 4.4.4 封裝材料對導通特性的影響78-81
• 4.4.5 不同面積的SBD對導通特性的影響81-82
• 4.5 肖特基單觸發(fā)開關觸發(fā)特性研究82-85
• 4.5.1 觸發(fā)電容器的影響82-83
• 4.5.2 不同類型二極管的影響83-85
• 4.6 開關電阻分析85-87
• 4.7 平面電爆炸開關與肖特基單觸發(fā)開關性能對比87-88
• 4.8 本章小結88-90
• 5 肖特基單觸發(fā)開關作用機理研究90-109
• 5.1 肖特基單觸發(fā)開關電弧溫度診斷90-93
• 5.1.1 實驗平臺90-91
• 5.1.2 開關電弧溫度分析91-93
• 5.2 肖特基二極管電爆炸沖擊應力特性分析93-98
• 5.2.1 PVDF壓力傳感器測試原理93-94
• 5.2.2 PVDF動態(tài)標定94-96
• 5.2.3 實驗結果與分析96-98
• 5.3 肖特基單觸發(fā)開關電阻模型98-108
• 5.3.1 理論模型98-101
• 5.3.2 仿真結果與分析101-108
• 5.4 本章小結108-109
• 6 總結與展望109-111
• 6.1 研究結論109-110
• 6.2 主要創(chuàng)新點110
• 6.3 展望及建議110-111
• 致謝111-112
• 參考文獻112-119
• 附錄119-120

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本文編號：721845