基于MOS控制晶闸管的高压电容放电特性研究

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本文基于MOS控制晶闸管(MCT)和0.22μF高压陶瓷电容,设计、制作了小型电容放电单元(CDU),并批量制备了微型爆炸箔芯片,分别采用硼/硝酸钾点火药(BPN)与六硝基茋炸药(HNS)验证了CDU的点火与起爆性能。主要研究内容及结论如下:(1)对MCT的静态特性与脉冲放电性能进行了研究:对比研究了MCT和冷阴极触发管的导通性能;研究了快恢复二极管、瞬态抑制二极管和栅极电阻对MCT的防护性能;研究了封装形式对MCT脉冲放电性能的影响,发现表贴式金属封装型MCT性能优于直插式四脚封装型。设计制作出CDU电路板,其回路电感约10nH,电阻约100mΩ,在0.22μF/1.20kV下,回路峰值电流达2.68kA,电流上升速率22.46kA·μs-1。经公式推导和实验验证,在CDU进行负载短路放电时,随着电容值变小,回路峰值电流变小,电容放电时间和峰值电流上升时间变短;随着放电电压增大,峰值电流增大,放电周期不变。(2)利用光刻、磁控溅射、旋涂等微机电系统(MEMS)工艺,批量制备出两种桥箔结构的硅爆炸箔芯片(Si-EFI):Si/Au桥箔电阻为0.7Ω,Si桥箔电阻为3.7Ω,并研究了Si-EFI的电爆参数和飞片运动历程。分析桥箔电爆参数,发现3.7Ω桥箔的能量利用率比0.7Ω桥箔高;采用超高速摄影拍摄桥箔电爆产生的等离子体,在加速膛的约束下,飞片的完整性大幅增强,呈现规则的圆形。研究了电爆能量与飞片速度的关系,分析飞片达到最高速度时的电压阈值,3.7Ω桥箔为1.60kV,0.7Ω桥箔为1.80kV。(3)选取Si-EFI、MEMS-EFI和LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic,低温共烧陶瓷)-EFI三种爆炸箔芯片,采用BPN点火药和HNS炸药,研究了基于MCT的CDU的点火与起爆能力。0.7Ω的Si-EFI最小点火电压1.20kV,3.7Ω的Si-EFI最小点火电压1.10kV;Si-EFI未能冲击起爆HNS。CDU与MEMS-EFI的匹配效果最好,能在1.10kV下起爆。LTCC-EFI可在1.20kV下点火;LTCC-EFI不能起爆HNS,因为陶瓷飞片在加速膛中过早碎裂。
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