平面放电开关电流波形畸变分析
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p a e r nsto h s s ta iin, wh c e u t n t e c re twa eo m itri n e e a p in r u o wa d t i h r s ls i h u r n v f r d so to .S v r lo to s we e p tf r r o
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( 1 )
式 中 :gx (, 内热源 的热流 密度 ;p , 分 别为材料 的密度 、比热容 、热导率 ;T为温 度 ;f 为 ( C( ( , 为时间 。
停止增 长 。由于等离子 体具有类 似于金属 导体 的特性 ,在偏 置 电压 的作用下 ,电极之 间重新导通 并弧光放 电 ,电 流重新 增长直 至放 电完成 。
3 简 化 数 学 模 型
3 1 热 传 导 模 型 .
由于平 面放 电开关 的弧光 放 电时间很 短 , 可以认为放 电过程是 一个 瞬态 热源对 电极表 面的一种加 热过程 , 满 足脉 冲加热 条件下 的热传导方 程[: 5 】
高 压开关 是冲击 片雷管起 爆 系统 中必不 可少 的元器件 ,是联 系冲击 片起爆 装置 和能量供 给系统 的桥梁 ,因此 对 于它 的选 择及 其性 能是 整个起 爆 系统 的关键 。 国内外 学者 一直致力 于研究 满足 特 种要求 的高压 开关技术 。在 2 0 0 8年和 2 0 0 9年 引信年会 上 ,B gnk T和其他 a isi 学 者 一起 发 表 了新 型 高 压开 关 的研 究报 告 [2,其 中介 绍 了一 种 平 面 放 电开 关 13 - (DS ,此 开关结 构见 图 1 P )】 。此开关采 用微 电子工 艺制作 ,电极主要 由 3 分构 部
F g. p rme t lcr u t igr m i 2 Ex e i n a ic i a a d
Fg- Curn v fr dsorin o pa a ic ag wic i 3 re twa eo m it to f ln rds h r es th
图 2实验电路示意图
收稿 日期 :2 1—80 ;修 回 日期 :2 1—93 0 00 .2 0 00 —0
64 2
信 息 与 电 子 工 程
第9 卷
效 电阻 。实验 时首先通过 充 电回路 对 电容充 电 ,然后通 过等离子 体瞬 间使 高压 电极 之 间导通 ,高压 电极 间产生 弧 光放 电。在放 电 的同时 ,伴 随着 “ ”的爆炸声 。通过示 波器取 得电流波形 见图 3 啪 ,其 中横轴每格 代表 2 0n , 0 s 纵轴 每格代 表 1 0 。 由图 3 见 ,在 电流波形 的上升沿有 1 台阶 ,此 台阶不仅 减小 了电流上升沿 的陡度 , 0A 0 可 个 而且增 加 了电流波形放 电周期 。在显微镜 下观察放 电后 的平 面放 电开关 的电极 , 发现 高压 电极 区域 的金 属被烧蚀 掉 了 ,见 图 4 。结合 图 3和图 4分 析认为 ,电极 的烧 蚀是导 致 电流发 生畸变 的主要原 因。
论对 电极 烧蚀造 成 电流波 形畸 变进行 了分 析 。基于 热传 导理论 ,研 究 了平 面放 电开 关 电极在 发 生 弧光 放 电时的简 化数 学模 型 ,根 据数 学模 型进行 了数值模 拟计 算 ,得 到 了电极 的时 间温度 分布 曲 线。 曲线显 示在 电流 持续 时间 内电极 厚度 方 向上 ,温度 可 以达 到 1 0K量级 , 电极历 经各态相 变最 终 发 生爆 炸现 象 ,从 而导致 电流波形 发 生畸变。根据 研 究结果 ,提 出解决 问题 的几 种方案 。
A s at aigO ei gso lnr i hreS i hP S a e i h readtecn u tr bt c :B s Nt r n h mae f a a D s ag wt (D ) f r s ag n od c P c c t dc h o
e po ig te r x l d n h o y, t i t y a a y e he fe t fe e to e ma e i le o in o h c re twa e o m h s sud n lz d t ef c o l cr d t ra r so n t e u r n v fr d so to .Ac o d n o h a o u to h o y a smp ii d ma h m ai a d l rnga cdic a g s itri n c r i gt e tc nd ci n t e r , i lfe t e tc lmo e i r s h r ewa du su i d, a n me ia smu ai n tde nd u rc l i l to wa p ro me . T e lc r d t mp r t r diti u i n u v wa s efr d h e e to e e e au e srb to c r e s o ti e .I s s we h ti h u a in o h u r n , ee to e tmpe aur a e c 0 K r ro b an d ti ho d t a n t e d r to ft e c r e t lcrd e r t e c n r a h 1 o de f ma nt d a h ie to fe e to e t i k e s n h l c r d x l d s a t re p re c n U t e g iu e tt e d r c in o lc r d h c n s ;a d t e ee to e e p o e fe x e in i g a h
关 键 词 : 平 面 放 电开 关 ; 电极 烧 蚀 ; 热 传 导 方 程
中 图分 类 号 :T 6 N8 文 献 标 识 码 :A
An l sso h u r n v f r d so t n o l n rd s h r es ic a y i n t ec re t wa eo m itri f a a ic a g w th o p
C )电极 的初始温度 分布是均 匀 的,不妨 设初始 温度 = 0 K,且不 考虑相变 和结 晶潜 热 ;
d 1放 电过程 中电流功 率密度 为常数 。 在 以上简 化假设 的基础 上 ,式 () 简化为 一维热传 导 问题 。利用积 分变换方 法 ,可 以解 出弧 光放 电时 电极 1可 的温度分 布 :
图 3高压开关放 电波形 畸变
2 导 致 电流 波 形 畸 变 的物 理 机 制分 析
由于金 电极层 只有 1 m,小 于趋肤深度 ,可 以认 为 u 电流 在 电极 的横截 面 内均匀 通过 。弧 光放 电瞬 间通过 很
高 的能量 ,导 致 电极历 经 固体 、液体 、气体 各 种相 变 。
平 面 放 电 开 关 电 流 波 形 畸 变 分 析
庞树 财 ,苏 伟 ,杨 黎 明
( 国工 程 物理 研 究 院 电 子工 程 研 究 所 ,四J 中 l j绵 阳 6 1 0 ) 2 9 0
摘 要 :为 了解决 电流 波形 畸变 的 问题 ,结合 平 面放 电开关放 电后 图片 ,根据 导体 电爆 炸理
PANG h c i SU W e , YAN G — i g S u— a , i Lim n (nt ueo lcr ncE gn eig,C iaAc d myo gn eigP y is Min a gSc u n6 0 I si t f e to i n ie rn t E hn a e f En ie rn h sc , a y n ih a 2 0, C ia 1 9 hn )
第9 卷
第5 期
信 息 与 电 子 工 程
I NF0RMATI ON AND ELECTRONI C ENGI NEERI NG
VO1 9, . . NO 5 0c .. 01l t 2
21 0 1年 1 0月
文 章 编 号 : 1 7 —8 22 1)50 2 —3 6 22 9 ( 0 10 — 6 3 0
s l et spr b e . o v hi o lm Ke r : Plna s h r eS t h; e e to e e o in; e uai no e tc n u to y wo ds a rDic a g wic l cr d r so q to fh a o d c in
成 :触发极 、高压 阴极和 高压 阳极 。这种 开关 的工作 原理是 ,在触发极 加脉 冲信
号 ,使得 触发极 的桥 区发 生爆 炸 ,爆炸 产生 的等离子 体在高 压 电极所 形成 的电场 的作 用下 ,使 空气 发生击 穿放 电。这种 开关具有 体积小 、便 于集成且抗 冲击性 能 好 的特点 。在研究 这种高 压开关 的过程 中 ,出现 了电流波形 畸变的 问题 。本文从 电爆 炸理论分 析 了其产生 的物理 机制 ,并 根据热 传导理论 对简化 数学模 型进行 了 数值 分析 ,最后 提 出几种 解决方 案 。
Fg. Plna ic r es th i 1 a rdshag wi c
图 1平 面放 电火化隙开关
1 实验 条 件 与 电流 波形 畸 变
在 陶瓷 基片上 ,通过溅 射工 艺生成 1 厚 的金薄膜 ,构成 高压开关 的 电极 ,电极之 间充有绝 缘介质 。实验 m 采 用 的电路见 图 2 。在 电路 图 中 D R C为充 电 回路 ,其 中 R1 限流 电阻。C K 2 C 为 L R 为放电 回路 ,其 中 为高压 开 关 的高压 回路 ,C为 O5 ,充 电电压 为 11 0 . F 0 V,L 3 H为放 电 回路 的等效 电感 ,R = 0 =0 n 24 mR为放 电 回路 的等
弧 光 电 流 产 生 的 磁 场 力 作 用 在 电极 表 面 , 电 极 迅 速 被 】当 加 热 到 液 态 , 由 于 惯 性 和 磁 力 以 及 电 极 表 面 的 绝 缘 介 质
Fi. op o o y o ln rd sh r es thee to eatreo in g4M rh l g f a a ic ag wic lcr d fe r so p 对 电极 的约束 作用 ,其 仍保 持一 定 的形状 ,此 后过 热 的 图 4 高 压开 关 电 极烧 蚀 后 形貌 液态金 属被迅速 加热 到沸点 ,开 始汽化直 至等离 子体化 , 当气体 动力学 压强超过磁 压强 和绝缘介质 的剪切 强度时发生 电极材料 的爆炸 。爆炸 瞬间电流被切 断 ,因而电流
为 了 获 得 较 为 简 单 温 度 场 分 布计 算 公 式 ,特 作 一 些 假 设 :
a )由于横 向热传 导速度相 对电极厚 度方 向很慢 ,而放 电时 间很 短 , 只计算 电流通过 区域的 电极 温度分 布 , 故 问题 简化 为一维 问题 ; b )假设 电极材 料的热力学 参量 p , 对温 度变化 不敏 感 ,可 看作 常数 ; ( C( ( ,