平面固态高压单触发开关的设计、制作与性能研究

论文摘要

爆炸箔冲击片起爆技术在提高火工品的起爆安全性和瞬时性方面具有明显的优势,高压触发开关作为起爆回路中的关键元件,对冲击片雷管成功引爆钝感炸药有着重要影响,目前爆炸箔起爆回路用高压开关通常为三电极火花隙开关以及真空开关等,它们的体积较大、不易集成,同时非常昂贵。本文创新地设计了一种新型的高压开关,此类开关具有平面结构、价格低廉、容易制备等优点,而且可以直接集成在爆炸箔起爆装置中的带状铜箔传输线上,主要从开关的制备工艺、触发极等离子体特性、开关放电性质等方面进行了研究,主要结论如下：（1）借助射频磁控溅射,应用湿法刻蚀工艺和图形反转工艺成功制备出平面固态单触发高压开关,确定了Cu薄膜沉积、AZ5200光刻胶的最佳工艺参数。（2）电爆伏安曲线表明,触发极Cu桥膜的匹配电容器充电电压在1500V左右；高速摄影显示,电爆过程产生的等离子体强度高,最大尺寸大于3000μm；光谱仪采集到的Cu等离子体的发射谱线清晰而且它们的独立性相对较好,从发射光谱的发展过程可以得到Cu等离子体的存在时间超过了7000ns;利用Boltzmann图谱法对Cu等离子体电子激发温度进行了测量,利用Saha-Eggert公式计算出了Cu等离子体的电子密度,结果表明：随着时间的发展,Cu等离子体温度在开始时迅速上升,达到峰值约7000K后,接下来缓慢下降,Cu等离子体电子密度的变化规律与其电子温度的情况相类似。（3）将所设计的开关用于爆炸箔冲击片雷管的起爆回路中,结果表明开关的自击穿电压大于3000V,满足系统需求；随着开关间隙的增大,其延时时间和分散时间、开关的电感电阻增加,而开关前沿上升时间以及回路峰值电流降低；主电极为锯齿状的开关延时时间及分散时间、回路峰值电流相对比较小；随着触发电压的增大,开关延时时间及分散时间降低,开关电感电阻随之减小,开关主回路的前沿上升时间随之缩短,峰值电流值则增加,而且触发极电压达到桥箔匹配电压前的开关上述性质变化幅度比达到匹配电压后相对大些。建立了平面固态开关的数学模型和EFI桥膜的电阻率模型,并利用Matlab语言实现了仿真,仿真得到的结果与实验结论相符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 爆炸箔冲击片起爆回路用高压开关研究进展
• 1.2.1 三电极火花隙开关
• 1.2.2 触发真空开关
• 1.2.3 半导体开关
• 1.2.4 平面开关
• 1.2.5 单触发开关
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 平面固态开关的设计及其制作工艺研究
• 2.1 平面固态开关的设计
• 2.2 平面固态开关的制备方法
• 2.3 平面固态开关的制作
• 2.3.1 实验主要设备及其材料
• 2.3.2 平面固态开关的制备流程及工艺条件
• 2.4 小结
• 3 开关触发极等离子体特性研究
• 3.1 开关触发极的结构设计与制备
• 3.2 触发回路设计
• 3.2.1 触发回路简介
• 3.2.2 触发回路电感、电阻的测量
• 3.3 Cu桥膜的电爆伏安特性
• 3.4 Cu桥膜等离子体强度和尺寸
• 3.5 Cu桥膜等离子体发射光谱分析
• 3.6 Cu桥膜等离子体电子温度和电子密度的测量
• 3.6.1 理论基础
• 3.6.2 Cu桥膜等离子体电子温度
• 3.6.3 Cu桥膜等离子体电子密度
• 3.6.4 Boltzmann图谱法以及局部热力学平衡的验证
• 3.7 小结
• 4 平面固态开关性能研究
• 4.1 平面固态开关性能测试装置
• 4.2 平面固态开关的绝缘耐压性能
• 4.3 平面固态开关延时特性
• 4.3.1 主间隙对开关延迟时间、分散时间的影响
• 4.3.2 主电极形状对开关延迟时间、分散时间的影响
• 4.3.3 触发能量对开关延迟时间、分散时间的影响
• 4.3.4 主间隙电场强度对开关延迟时间、分散时间的影响
• 4.4 平面固态开关的电感电阻测试
• 4.4.1 开关电感电阻的测量方法
• 4.4.2 不同开关间隙下平面固态开关的电感电阻
• 4.4.3 触发极不同触发能量下的平面固态开关的电感电阻
• 4.4.4 不同主电极形状下的平面固态开关的电感电阻
• 4.5 平面固态开关的前沿上升时间以及峰值电流分析
• 4.5.1 开关前沿上升时间及峰值电流的测量
• 4.5.2 平面固态开关主间隙与开关前沿上升时间及峰值电流关系
• 4.5.3 平面固态开关主电极形状与开关前沿上升时间及峰值电流关系
• 4.5.4 平面固态开关触发极能量与开关前沿上升时间及峰值电流关系
• 4.6 平面固态开关主回路电流的仿真模拟
• 4.6.1 桥箔起爆电路
• 4.6.2 开关电感电阻数学模型
• 4.6.3 EFI桥膜电阻率模型
• 4.6.4 EFI桥膜起爆电流求解方法
• 4.6.5 平面固态开关对桥膜电流的影响
• 4.7 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文结论总结
• 5.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献