李貞曉， 張亞舟， 高梁， 金涌， 栗保明

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

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電熱化學(xué)發(fā)射中硅堆故障試驗(yàn)分析

李貞曉， 張亞舟， 高梁， 金涌， 栗保明

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

針對(duì)電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)中脈沖電源發(fā)生的高壓硅堆損壞，分析可能導(dǎo)致器件損壞的原因，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、脈沖放電仿真與試驗(yàn)、硅堆反向恢復(fù)特性測(cè)量等確定故障原因。研究結(jié)果表明：電熱化學(xué)發(fā)射過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)沖擊不會(huì)造成硅堆損傷，故障由電感性質(zhì)負(fù)載特性、串聯(lián)元件的反向恢復(fù)特性不一致和脈沖電源非同步放電等因素共同造成，傳輸線電感分量偏大是故障發(fā)生的直接原因。研究結(jié)論對(duì)于高壓硅堆在電熱化學(xué)發(fā)射中的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 脈沖電源； 高壓硅堆； 電熱化學(xué)發(fā)射； 過(guò)電壓

0　引言

電熱化學(xué)(ETC)發(fā)射技術(shù)是依靠脈沖電源(PPS)提供電能產(chǎn)生等離子體引燃發(fā)射藥從而推進(jìn)彈丸的新概念發(fā)射技術(shù)，是一種實(shí)現(xiàn)超高速發(fā)射的有效途徑[1-6]。ETC系統(tǒng)的PPS通常由多個(gè)相同結(jié)構(gòu)與參數(shù)的電容儲(chǔ)能的脈沖形成單元(PFU)并聯(lián)組成[7-13]。作為應(yīng)用的基礎(chǔ)，PPS的發(fā)展水平在很大程度上決定了ETC應(yīng)用的步伐。

現(xiàn)階段，ETC應(yīng)用的技術(shù)方案、技術(shù)途徑已基本明確。為了開(kāi)展典型模擬環(huán)境驗(yàn)證工作，試制了1臺(tái)PPS功能機(jī)，在野外條件下進(jìn)行ETC試驗(yàn)研究，并初步驗(yàn)證系統(tǒng)各部件野外工況下的適應(yīng)性與可靠性。近期的一次研究試驗(yàn)時(shí)該P(yáng)PS發(fā)生了故障，損壞了2組高壓硅堆。高壓硅堆是PPS的關(guān)鍵元件之一，一般由多個(gè)大功率二極管串、并聯(lián)組成，受技術(shù)水平發(fā)展限制，在高壓脈沖功率環(huán)境下大功率二極管容易受到外部因素的影響而損壞；由于使用風(fēng)險(xiǎn)較大，費(fèi)用較高，故障防范與安全保護(hù)長(zhǎng)期以來(lái)是元件應(yīng)用研究的重點(diǎn)，主要內(nèi)容包括過(guò)電流保護(hù)、電爆炸負(fù)載的浪涌沖擊保護(hù)、串聯(lián)均壓保護(hù)等[14-17]。本文從機(jī)理上分析了本次故障的可能原因，并借助理論分析、電路仿真與試驗(yàn)等方法確定了導(dǎo)致硅堆損壞的原因。研究結(jié)論有助于提高高壓硅堆在ETC應(yīng)用中的壽命與可靠性。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由ETC發(fā)射研究裝置和PPS兩部分組成。

發(fā)射研究裝置是一種電爆炸性質(zhì)的負(fù)載，它內(nèi)置正、負(fù)兩個(gè)電極，電極間采用金屬絲連接。在脈沖電流作用下金屬絲急劇相變產(chǎn)生電弧等離子體，而后引燃發(fā)射藥產(chǎn)生急劇膨脹的高溫高壓氣體，試驗(yàn)過(guò)程往往伴有強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)沖擊[18-21]。

試驗(yàn)系統(tǒng)中PPS由10個(gè) PFU并聯(lián)組成，電路原理如圖1所示。PFU集裝于專(zhuān)用方艙，并與發(fā)射研究裝置保持恰當(dāng)距離。 單個(gè)PFU的額定儲(chǔ)能為100 kJ，最大工作電壓為12 kV，最大輸出脈沖電流為50 kA，其主要元件包括1臺(tái)1 400 μF脈沖電容器Cj、1只80 μH調(diào)波電感Lj、1臺(tái)觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)TVSj和1組高壓硅堆Dj,j為1，2，…，10. 高壓硅堆由5只Y100ZPE0T12G型大功率整流二極管串聯(lián)組成，單只二極管的反向不重復(fù)峰值電壓為4.2 kV、浪涌電流為100 kA.

圖1　脈沖電源電路原理圖Fig.1　The schematic diagram of PPS circuit

2　故障情況及原因初步分析

近期的一次PPS放電試驗(yàn)中損壞了2組高壓硅堆。該試驗(yàn)是ETC系統(tǒng)檢查性試驗(yàn)，發(fā)射研究裝置內(nèi)部無(wú)發(fā)射藥，兩電極為短路連接，PFU工作電壓為10.5 kV. 解剖受損硅堆發(fā)現(xiàn)，二極管管芯導(dǎo)電接觸面局部燒損嚴(yán)重，如圖2所示。顯然故障時(shí)導(dǎo)電接觸面這些部位電流密度非常大，但無(wú)法明確斷定是由過(guò)電流還是過(guò)電壓造成了硅片損壞。

圖2　受損的二極管Fig.2　Damaged diode

2.1過(guò)電流損壞

發(fā)生故障時(shí)PFU工作電壓僅為10.5 kV，理論計(jì)算與之前試驗(yàn)均表明，該電壓條件下PFU的脈沖電流峰值小于45 kA，遠(yuǎn)低于二極管可以承受的浪涌電流。因此，可以確定硅堆不是因過(guò)電流而造成損壞。

由圖2可見(jiàn)，元件內(nèi)部反映出管芯導(dǎo)電接觸面局部電流密度過(guò)大?？紤]到試驗(yàn)環(huán)境工況，認(rèn)為可能與之前試驗(yàn)過(guò)程中強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)沖擊有關(guān)。由于此次試驗(yàn)之前進(jìn)行了多次ETC發(fā)射研究試驗(yàn)，懷疑存在之前的試驗(yàn)使得硅堆受到強(qiáng)烈機(jī)械沖擊而損傷的可能，主要機(jī)理包括：

1) 之前試驗(yàn)的振動(dòng)沖擊及其積累效應(yīng)可能造成二極管管芯硅片產(chǎn)生細(xì)微裂紋或局部機(jī)械損傷，本次試驗(yàn)脈沖放電使得這些部位發(fā)生過(guò)電流燒毀。

2) 之前試驗(yàn)的振動(dòng)沖擊可能致使硅堆預(yù)緊螺栓退化松動(dòng)，導(dǎo)致二極管管芯導(dǎo)電接觸面受力不均勻或壓力過(guò)小，使得本次脈沖放電試驗(yàn)導(dǎo)電接觸面的某些部位出現(xiàn)局部電流密度過(guò)大而燒毀。

2.2過(guò)電壓損壞

從圖2所示管芯導(dǎo)電接觸面的燒損狀況分析，若損壞由電壓擊穿引起，則損壞過(guò)程應(yīng)該是過(guò)電壓首先造成管芯導(dǎo)電接觸面的某些點(diǎn)處擊穿，而后脈沖大電流使得這些擊穿點(diǎn)附近局部被燒毀。

由于結(jié)電容的存在，在ETC試驗(yàn)中反向偏置的硅堆可能因系統(tǒng)過(guò)電壓沖擊而損壞[16-17]，為此PPS系統(tǒng)選用了額定耐壓為21 kV的硅堆，且硅堆二極管均并聯(lián)500 kΩ電阻和30 Ω/0.33 μF阻容元件共同實(shí)現(xiàn)反向偏置的硅堆的靜態(tài)均壓、動(dòng)態(tài)均壓和過(guò)電壓保護(hù)，如圖3(a)所示。故障時(shí)PPS工作電壓為10.5 kV，在硅堆的過(guò)電壓保護(hù)范圍之內(nèi)，從而可以排除反向偏置的硅堆遭受過(guò)電壓沖擊損壞的可能。

圖3　硅堆保護(hù)元件及保護(hù)電路Fig.3　Protective device and protection circuit of silicon stack

在正向偏置條件下，當(dāng)硅堆突然被施加反向高壓時(shí)，如果二極管的反向恢復(fù)時(shí)間存在較大差異，并聯(lián)保護(hù)電路因阻值較大將無(wú)法有效保護(hù)硅堆，先關(guān)斷的二極管可能因?yàn)槌惺苓^(guò)電壓而擊穿，造成硅堆損壞。圖3(b)中d1,d2,…,d5為硅堆的5只二極管，r1,r2, …,r5為靜態(tài)均壓電阻，rs1,Cs1,rs2,Cs2, …,rs5,Cs5為并聯(lián)阻容元件，不妨設(shè)d1首先關(guān)斷，d2,d3,d4,d5此時(shí)仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于電阻r1(500 kΩ)相對(duì)較大，而電容Cs1(0.33 μF)相對(duì)較小，則d1將不得不承受大部分反向電壓。PPS是ETC研究電源，設(shè)計(jì)用途是對(duì)金屬絲制作的無(wú)感電阻進(jìn)行放電實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換，它是毫秒級(jí)脈沖放電電源且連續(xù)兩次工作間隔較長(zhǎng)(數(shù)秒甚至數(shù)十分鐘)，一般認(rèn)為上述正向偏置二極管突然反向關(guān)斷的情況不會(huì)出現(xiàn)，故PPS研制過(guò)程中沒(méi)有對(duì)硅堆的關(guān)斷特性進(jìn)行嚴(yán)格考察和要求。但本次故障發(fā)生后深入分析認(rèn)為，如果PPS的負(fù)載是電感性質(zhì)的，試驗(yàn)中上述正向偏置二極管突然關(guān)斷的情況就有可能出現(xiàn)。為了敘述方便，將負(fù)載等效為圖1所示的電阻Re和電感Le串聯(lián)模型。在PPS非同步放電情況下，若一部分PFU首先觸發(fā)放電，流過(guò)負(fù)載的脈沖電流Ip達(dá)到峰值后將逐漸下降，此時(shí)如果某些因素造成了負(fù)載電感分量偏大、電阻分量較小，即流經(jīng)負(fù)載的脈沖電流下降時(shí)滿(mǎn)足

(1)

則負(fù)載電壓極性將會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得未開(kāi)始放電的另一部分PFU輸出端(圖1中匯流排端、接地端)電壓極性同樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致該部分PFU內(nèi)的硅堆正向偏置導(dǎo)通(硅堆流過(guò)電流ID)。此后這部分PFU放電將使得內(nèi)部處于正向偏置的硅堆突然被施加反向電壓，而如果硅堆中二極管的反向恢復(fù)時(shí)間存在較大差異，工作電壓較高時(shí)就會(huì)發(fā)生硅堆的反向關(guān)斷擊穿。

3　仿真與試驗(yàn)分析

針對(duì)上述可能原因，進(jìn)行了硅堆的機(jī)械振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、電路仿真、電壓擊穿分析、反向恢復(fù)時(shí)間測(cè)試和關(guān)斷特性測(cè)試。下述試驗(yàn)研究中采用的硅堆與故障硅堆為同型號(hào)同批次產(chǎn)品。

3.1機(jī)械振動(dòng)沖擊

故障發(fā)生后設(shè)備檢查發(fā)現(xiàn)10組硅堆預(yù)緊螺栓均有不同程度的松動(dòng)，安裝力實(shí)測(cè)值均高于30 kN，檢查表明硅堆的瓷套沒(méi)有明顯的碎裂現(xiàn)象。

試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械振動(dòng)沖擊造成硅堆損壞的可能性。采用機(jī)械沖擊試驗(yàn)臺(tái)模擬ETC發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程中硅堆承受的機(jī)械沖擊，如圖4所示，沖擊波形近似于100g/6 ms半正弦波(其值大于電源艙內(nèi)的測(cè)量值)。對(duì)3組硅堆試品的3個(gè)正交軸兩個(gè)方向各進(jìn)行3次沖擊，每組硅堆承受18次沖擊。試驗(yàn)后3組硅堆均出現(xiàn)了預(yù)緊螺栓松動(dòng)的情況，但外觀沒(méi)有形變和碎裂現(xiàn)象，對(duì)硅堆二極管拆解后在顯微鏡下放大檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)試驗(yàn)前后二極管各主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)元件參數(shù)沒(méi)有明顯變化。

圖4　硅堆機(jī)械振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及波形Fig.4　Mechanical vibration impact test and test waveform

驗(yàn)證預(yù)緊螺栓松動(dòng)對(duì)硅堆性能的影響。對(duì)沖擊試驗(yàn)后的3組硅堆各進(jìn)行6次50 kA/10 ms半正弦波脈沖放電，3組共進(jìn)行18次放電試驗(yàn)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前后各二極管主要參數(shù)沒(méi)有明顯差異。在安裝力為40 kN、30 kN、20 kN下，依次對(duì)硅堆均進(jìn)行了6次50 kA/10 ms半正弦波脈沖放電，3組共進(jìn)行18次放電試驗(yàn)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前后各二極管主要參數(shù)沒(méi)有明顯差異。對(duì)硅堆4根預(yù)緊螺栓施加不同力矩，即4根螺栓采用80 N·m、60 N·m、50 N·m、40 N·m、30 N·m力矩的任意配搭組合，進(jìn)行20次50 kA/10 ms半正弦波脈沖放電，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試品檢測(cè)均正常。

上述試驗(yàn)表明，機(jī)械振動(dòng)沖擊不會(huì)造成硅堆損壞。分析認(rèn)為硅堆具有良好的機(jī)械性能是由于硅堆夾具的頂端與底端均配置了如圖5所示的平衡疊簧。平衡疊簧對(duì)不平衡力具有自動(dòng)調(diào)整平衡功能，即使4根預(yù)緊螺栓受力存在較大差異，也能保證元件導(dǎo)電接觸面上壓力的均勻分布。但是，試驗(yàn)表明振動(dòng)沖擊仍然會(huì)造成預(yù)緊螺栓的松動(dòng)，需要進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

圖5　硅堆的平衡疊簧Fig.5　Balance spring of silicon stack

3.2恢復(fù)過(guò)程電壓擊穿

考察ETC試驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。自PPS匯流器到發(fā)射研究裝置采用了由多股軟銅線制作的雙傳輸線結(jié)構(gòu)導(dǎo)線，單根導(dǎo)線長(zhǎng)約7.5 m. 發(fā)射研究裝置內(nèi)部短路時(shí)該傳輸線的電感值為15.7 μH、電阻值為1.9 mΩ. 查閱試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障時(shí)PPS中各PFU放電設(shè)置與本文2.2節(jié)過(guò)電壓損壞機(jī)理分析中所陳述的放電設(shè)置情況一致。依據(jù)前述PPS的電氣參數(shù)和各PFU的放電設(shè)置，借助MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，由于負(fù)載電壓極性發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，后放電的PFU硅堆在該部分PFU觸發(fā)放電前出現(xiàn)了正向偏置導(dǎo)通現(xiàn)象。由于PPS中PFU采用了RVU-43型觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)，該型開(kāi)關(guān)上升時(shí)間通常少于數(shù)百納秒，開(kāi)通迅速[22-23]，故而硅堆二極管反向恢復(fù)時(shí)間是否具有較大差異成為了判定故障原因的關(guān)鍵。

圖6　脈沖放電仿真電流波形Fig.6　The simulated current waveforms of PPS discharge

對(duì)3組硅堆二極管試品在不同條件下的反向恢復(fù)時(shí)間和關(guān)斷特性進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各二極管的反向恢復(fù)特性偏差較大。多種測(cè)試條件下硅堆組內(nèi)二極管反向恢復(fù)時(shí)間均存在數(shù)微秒的偏差，其中第1組硅堆二極管反向恢復(fù)時(shí)間trr如表1所示。表1同時(shí)給出了試品在不同測(cè)試條件下的反向恢復(fù)電荷Qrr和恢復(fù)系數(shù)S. 表1中ITM為通態(tài)峰值電流，dI/dt為通態(tài)電流臨界上升率。由表1可知，同等條件下組內(nèi)反向恢復(fù)電荷偏差最高達(dá)30%以上，這也反映出硅堆二極管的反向恢復(fù)時(shí)間確實(shí)存在較大差異。因此原因已明確，即傳輸線電感分量偏大使得PPS的等效負(fù)載呈感性，在非同步放電情況下感性負(fù)載致使后放電的PFU內(nèi)硅堆正向偏置導(dǎo)通，這部分PFU的真空開(kāi)關(guān)觸發(fā)開(kāi)通后，硅堆被突然施加了反向高電壓，由于組內(nèi)二極管的反向恢復(fù)特性存在較大差異，關(guān)斷過(guò)程中發(fā)生了過(guò)電壓擊穿。

表1　硅堆二極管的反向恢復(fù)特性

4　結(jié)論

1)機(jī)械沖擊試驗(yàn)表明，硅堆故障不是由于電熱化學(xué)發(fā)射過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)沖擊引起的，但強(qiáng)烈機(jī)械沖擊會(huì)造成硅堆緊固螺栓退化松動(dòng)，不利于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行。為了提高硅堆運(yùn)行壽命和可靠性，減少檢修工作量，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)硅堆的緊固螺栓。

2)負(fù)載特性考察、脈沖放電仿真、硅堆反向恢復(fù)特性測(cè)量等表明，故障由電感性質(zhì)負(fù)載特性、串聯(lián)元件的反向恢復(fù)特性不一致和脈沖電源非同步放電3種因素共同導(dǎo)致。考慮到該P(yáng)PS設(shè)計(jì)用途是實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換，可認(rèn)定傳輸線選用不當(dāng)、電感分量偏大是造成本次故障發(fā)生的直接原因和主要因素。當(dāng)前條件下，應(yīng)改變電能傳輸結(jié)構(gòu)，改用低電感值的傳輸線(例如同軸大功率電纜)以防止故障再次發(fā)生。為了提高PPS的性能，在條件允許時(shí)選擇反向恢復(fù)時(shí)間特性一致的硅堆對(duì)原硅堆進(jìn)行更換。今后電源研制應(yīng)注意考察硅堆二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的一致性。

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Test and Analysis of Silicon Stack Failure in Electrothermal-chemical Launch

LI Zhen-xiao， ZHANG Ya-zhou， GAO Liang， JIN Yong， LI Bao-ming

(National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

The silicon stack damage is observed in electrothermal-chemical launch experiment. The details of the possible reasons are analyzed. And the reasons are determined through mechanical vibration impact test, simulation and tests of pulse power supply discharge, and reverse recovery characteristics measurements of silicon stack. Results show that the mechanical vibration shock cannot lead to the silicon stack damage in electrothermal-chemical launch. The silicon stack damage is mainly caused by the cooperation of the reverse recovery characteristics of series components, the inductance characteristic of load and the asynchronous discharge of pulse power supply. The large inductance of the transmission lines is the direct cause for the damage of the silicon stacks in the system.

ordnance science and technology；pulse power supply; high-voltage silicon stack; electrothermal chemical launch；overvoltage

2014-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272158)

李貞曉(1975—)， 男， 博士研究生。 E-mail: lizhxnjust@126.com；

栗保明(1966—)， 男， 教授， 博士生導(dǎo)師。 E-mail: libaoming@mail.njust.edu.cn

TJ303+.9

A

1000-1093(2015)04-0577-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.001