多路并联半导体桥点火器同步发火故障机理研究.pdf
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1、第 44 卷 第 3 期航天返回与遥感 2023 年 6 月 SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 145 收稿日期:2022-03-04 引用格式:景莉,张丽梅,张威,等.多路并联半导体桥点火器同步发火故障机理研究J.航天返回与遥感,2023,44(3):145-153.JING Li,ZHANG Limei,ZHANG Wei,et al.Research on Synchronous Ignition Current Response Characteristics and Fault Phenomena of Multichannel Parallel
2、Semiconductor BridgesJ.Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2023,44(3):145-153.(in Chinese)多路并联半导体桥点火器同步发火故障机理研究 景莉 张丽梅 张威 刘新伟 张凯 刘晓刚 郝芳(北京空间机电研究所,北京 100094)摘 要 半导体桥点火器在工程应用中通常为多个产品并联在同一供电回路中使用,以实现火工装置同步点火。在实际应用中有时会出现某个火工装置点火失败的现象。当前,研究主要集中在半导体桥点火器本身电阻变化对单路点火过程电流、电压的影响,对多路并联半导体桥电流响应特性的研究较少。半导体桥点火器在多路并
3、联同步使用时,作用机理及故障原理不清限制了其在该场合中的应用。文章设计搭建了多路并联半导体桥点火器点火电路,通过试验发现点火器多路并联使用时,支路电流存在突然下降或上升速度缓慢的现象,均可能造成点火器半导体桥区烧蚀不完全或瞎火。结合半导体桥点火器的点火机理分析得出电路电流突然下降会导致相变过程中止、电流上升较慢会导致相变能量不足,均会造成半导体桥电爆能量无法正常释放,进而无法正常激发内部起爆药,这是半导体桥点火器用在多路并联电路情况时出现点火失败的重要原因。关键词 半导体桥点火器 并联发火 发火电流特性 电爆烧蚀现象 火工品 中图分类号:TJ450.1 文献标志码:A 文章编号:1009-85
4、18(2023)03-0145-09 DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.015 Research on Synchronous Ignition Current Response Characteristics and Fault Phenomena of Multichannel Parallel Semiconductor Bridges JING Li ZHANG Limei ZHANG Wei LIU Xinwei ZHANG Kai LIU Xiaogang HAO Fang(Beijing Institute of Space Mechani
5、cs&Electricity,Beijing 100094,China)Abstract Semiconductor bridge(SCB)igniters are usually connected in a multichannel parallel circuit to realize simultaneous initiation of multiple igniters.However,some product in the parallel circuit may fail to ignite in engineering application.At present,many r
6、esearches focus on how the resistance change of the semiconductor bridge influence the current and voltage in a single circuit,there are few studies on the current response characteristics of semiconductor bridges in multiple parallel circuit.In this paper,we design a multi-channel parallel semicond
7、uctor bridge ignition circuit and record the current of each branch in tests.It is found that the current of some branch drops suddenly or rises slowly in the multichannel parallel circuit.Combined with the analysis of ignition mechanism of semiconductor bridge,it is concluded that the sudden drop o
8、f circuit current will stop the phase transition process,and the slow rise of current will lead to the lack of phase transition energy,these two phenomenon will lead to the lack of energy to excite the primary explosive,and is one of the important reasons for ignition failure.146 航 天 返 回 与 遥 感 2023
9、年第 44 卷 Keywords semiconductor bridge igniters;multichannel parallel fire;characteristics of ignition current;electro-explosive ablation phenomena;explosive initiator 0 引言 半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)点火器是一种利用半导体膜或金属半导体复合膜作为发火元件的火工品,因其具备高瞬发度、同步性好的优点,逐渐替代传统的桥丝式点火器和桥带式点火器,成为火工品发展史中的第三代火工品之一1。多路并联使用半导
10、体桥点火器因能够高精度同步起爆多个火工装置,在满足航天任务需求方面具有应用前景。国内外对半导体桥点火器的研究主要集中在其本身电阻变化对单路点火过程电流、电压的影响,或是电阻升温过程的研究,如文献2-5重点研究了单路电容起爆半导体桥发火电流特性及电阻表征模型;文献6-10重点研究了半导体桥电阻升温过程的特性并建立桥区能量随温度变化的表征方程。已有的研究成果对半导体桥点火器多路并联使用时的电流响应特性研究较少,造成实际应用中出现同步发火单路点火失败的故障机理不清,从而限制了半导体桥点火器在多路并联工程实践中的应用。本文基于半导体桥点火器的点火机理,提出了微观区域性相变分析法,建立了供电过程中半导体
11、桥电阻变化与半导体桥区不同区域温度和状态的关联关系。根据实际工程应用情况,针对多路并联半导体桥点火器同步发火的故障机理开展研究,搭建多路并联点火电路,对起爆后半导体桥区形态以及每一支路实测的点火电流曲线进行分析,得出多路并联半导体点火器同步发火的支路点火电流响应特性及产生单路点火故障的原因。通过本文的研究,可指导多路并联半导体桥点火器的使用及电路设计,从而提高半导体桥点火器多路并联同步点火的可靠性。1 基于区域性相变分析半导体桥点火器的工作过程 半导体桥点火器核心部件为半导体桥,其形状不同性能会有较大差异,本文基于两端对称设计“V”型缺口的“H”型半导体桥(又称为碟形半导体桥)11,提出了一种
12、半导体桥微观区域划分的分析方法,结合半导体桥点火器的点火机理分析其工作全过程。半导体桥点火器桥药结合区如图 1 所示。当通以足够大的脉冲电流时,半导体桥点火器的半导体桥区因焦耳热迅速气化并在电场的作用下形成等离子体放电,高温等离子体冲击起爆药,使药剂受热达到着火温度而发火。(a)主视图 (b)俯视图(a)Front view (b)Vertical view 图 1 半导体桥点火器桥药结合区示意 Fig.1 The ignition powder binding region of SCB 在电流加载过程中,半导体桥会随着温度的变化快速经历“固态液态气态等离子体”的相变过程,不同相变阶段,其阻
13、抗会发生变化。这种复杂性是由半导体材料特殊的阻抗温度特性和相变造成的。在发火电流导通时,半导体材料的阻抗由于焦耳热的热效应迅速发生变化,并随着半导体桥相变过程的变化而 第 3 期 景莉 等:多路并联半导体桥点火器同步发火故障机理研究 147 随之波动。在加电初始阶段,由于热效应半导体桥电阻增大,当温度超过多晶硅温度系数临界特征温度(约 1 000 K)时12-13,半导体桥中导电粒子运动速度加快,挣脱晶格约束,粒子浓度呈指数上升,电阻变小,半导体呈负温度特性,阻值随着温度升高变小,直至达到硅融化点温度(1 684 K);电阻进一步减小,线路电流增大,呈正反馈过程,促使半导体桥迅速释放热传导热量
14、和电爆高温粒子,从而点燃装药。在点火时,半导体桥随着相变过程的推进,对能量集中性的需求呈增长趋势。当点火器输入电流足够大时,半导体桥桥区的相变过程非常迅速,几种相变状态在桥区有共存现象。半导体桥点火器桥区状态随温度的变化如表 1 所示14-16。表 1 半导体桥点火器桥区不同温度下的状态 Tab.1 The state of SCB at different temperatures 温度/K 温度说明 桥区状态 1 000 半导体负温特性拐点 固态 1 684 硅熔化点 固液混合 2 880 硅蒸汽形成(弱等离子体)液气混合 3 000 等离子体 气态 结合表 1 半导体桥不同温度下的变化过
15、程以及实际电流在桥区的流动情况,将半导体桥进行微观区域划分,包含A 区、B 区和 C 区,具体区域位置如图 2 所示。根据供电过程中由于电流密度不同引起的温度梯度,对半导体桥不同区域的桥区状态进行分析,从而将半导体桥阻值变化与桥区状态进行关联对应,具体分析情况如表 2 所示,分为序号 16 种桥区状态。半导体桥点火器在实际使用过程中,由于电阻无法直接测量,通常通过分析流经半导体桥的电流随时间变化,来表征半导体桥电阻变化。如图 3 所示,以半导体桥点火器工作过程电流 I 随时间 T 变化的典型曲线为例,关联对应了序号 16 种桥区状态在曲线中的分布情况。表 2 半导体桥桥区不同部位在供电过程中的
16、温度和状态变化 Tab.2 The state of SCB at different temperatures 序号 A 区状态 B 区状态 C 区状态 电阻变化 1 温度小于 1 000 K,固态 温度小于 600 K,固态 温度小于 400 K,固态 增大 2 温度位于 1 000 K 与 1 684K 之间,阻值拐点 温度小于 1 000 K,固态 温度小于 600 K,固态 不确定 3 温度位于 1 000 K 与 1 684K 之间,阻值拐点 温度位于1 000 K与1 684 K之间,阻值拐点 温度小于 1 000 K,固态 减小 4 温度大于 1 684 K,液态硅 温度位于1
17、 000 K与1 684 K之间,阻值拐点 温度位于1 000 K与1 684 K之间,阻值拐点 减小 5 温度大于 2 880 K,硅蒸汽 温度大于 1 684 K,液态硅 温度位于 1 000 K 与 1 684K 之间,阻值拐点 不确定 6 温度大于 2 880K,硅蒸汽 温度大于 2 880K,硅蒸汽 温度大于 1 684K,液态硅 急剧增大 通过图 2 可以看出,在供电过程中,碟形半导体桥片在尖点部位(A 区)和中间部位(B 区)电流流经的截面最小,电流密度最大,能量最集中,温度升高快,率先达到熔点和沸点,熔化和汽化形成硅蒸汽,局部进入电爆过程,电离放热,形成能量正反馈,促进下一区域
18、的电爆过程,进而使电爆区域向四周蔓延,直至整个桥区全部实现电爆。这种能量首先在尖端集中,随后向四周蔓延的现象称为“尖点效应”。图 2 SCB 桥区电流流动情况以及微观区域划分 Fig.2 The current flow and micro region division of SCB 148 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 半导体桥工作时,由于尖点效应,尖点部分的硅首先熔化,熔化后的液态硅材料电阻仅为固态的十分之一,因此熔化后液态区的加热速率远高于固态区,液态区的液态硅进一步吸收热量进而形成硅蒸汽。气态的桥区不导电,因此电流沿着气态区的边缘通过,持续将边缘的硅加热,重复
19、熔化汽化的过程,使气态区不断变大。在气态区变大的过程中,硅气体离子数量不断增多,首先形成一个较弱的离子气体层,随着电流增加,电离不断加强,最终产生较强的热等离子层,在后期放电时产生等离子体辐射、放电,将能量传输给起爆药而使药剂引燃13。2 多路并联半导体桥特性及故障现象分析 2.1 试验情况 搭建一个电源同时起爆四路半导体桥点火器的电路,在试验室中模拟多路并联点火器同步起爆任务的实际工程应用情况,具体电路如图 4 所示。试验电源为 23V 稳压电源;半导体桥点火器编号分别为点火器 1 号点火器 8 号,半导体桥为蝶形半导体桥,规格为 100 m400 m2 m;电路开关分别选用实际工程中常用的
20、机械和电子两种类型开关,即电磁继电器(单个触点接触电阻 0.01)和 MOS 功率开关管(电阻 0.06)。发火方式为一点四模式。选用两种不同类型的开关分别进行点火试验,电路接通后,通过电流钳及示波器对 4 个支路的点火电流进行测量,采集频率为 100 MHz;并同时观察点火后的桥区相变形态。2.2 试验结果及分析 试验电流 I 与供电时间 T 曲线如图 5 所示,电路控制选用不同类型的开关时,并联电路中各支路电流曲线有所不同。当电路开关使用 1 个电磁继电器时,各支路通过继电器吸合 4 对触点进行供电,各支路电流存在供电不同步的现象;当电路开关使用 MOS 功率开关管时,能够改善电磁继电器中
21、各支路电流供电不同步的情况,但各支路供电电流上升沿时间较长,比较缓慢。之后,针对实测的两种不同电流供电特性,对半导体桥点火特性及故障现象进行分析。(a)电磁继电器电路图(a)Circuit with electromagnetic relay 注:图中序号 16 对应表 2 中序号 16,表示半导体桥区状态变化时对应的电流情况。图3 半导体桥点火器工作过程典型电流变化曲线与桥区状态对应示意 Fig.3 The typical current curve corresponds to the SCB state during its working process 第 3 期 景莉 等:多路并联
22、半导体桥点火器同步发火故障机理研究 149 (b)MOS 功率开关管电路图(b)Circuit with MOS 图 4 点火电流不同步影响试验简化电路图 Fig.4 Simplified circuit of ignition current asynchronous influence test (a)电路开关为电磁继电器时各支路电流曲线特征(a)Current in each branch of the circuit with electromagnetic relay(b)电路开关为 MOS 功率开关管时各支路电流曲线特征(b)Current in each branch of th
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