电热化学发射中硅堆故障试验分析

李贞晓， 张亚舟， 高梁， 金涌， 栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)



电热化学发射中硅堆故障试验分析

李贞晓， 张亚舟， 高梁， 金涌， 栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

针对电热化学发射试验中脉冲电源发生的高压硅堆损坏，分析可能导致器件损坏的原因，通过机械振动冲击试验、脉冲放电仿真与试验、硅堆反向恢复特性测量等确定故障原因。研究结果表明：电热化学发射过程中的机械振动冲击不会造成硅堆损伤，故障由电感性质负载特性、串联元件的反向恢复特性不一致和脉冲电源非同步放电等因素共同造成，传输线电感分量偏大是故障发生的直接原因。研究结论对于高压硅堆在电热化学发射中的应用具有指导作用。

兵器科学与技术； 脉冲电源； 高压硅堆； 电热化学发射； 过电压

0　引言

电热化学(ETC)发射技术是依靠脉冲电源(PPS)提供电能产生等离子体引燃发射药从而推进弹丸的新概念发射技术，是一种实现超高速发射的有效途径[1-6]。ETC系统的PPS通常由多个相同结构与参数的电容储能的脉冲形成单元(PFU)并联组成[7-13]。作为应用的基础，PPS的发展水平在很大程度上决定了ETC应用的步伐。

现阶段，ETC应用的技术方案、技术途径已基本明确。为了开展典型模拟环境验证工作，试制了1台PPS功能机，在野外条件下进行ETC试验研究，并初步验证系统各部件野外工况下的适应性与可靠性。近期的一次研究试验时该PPS发生了故障，损坏了2组高压硅堆。高压硅堆是PPS的关键元件之一，一般由多个大功率二极管串、并联组成，受技术水平发展限制，在高压脉冲功率环境下大功率二极管容易受到外部因素的影响而损坏；由于使用风险较大，费用较高，故障防范与安全保护长期以来是元件应用研究的重点，主要内容包括过电流保护、电爆炸负载的浪涌冲击保护、串联均压保护等[14-17]。本文从机理上分析了本次故障的可能原因，并借助理论分析、电路仿真与试验等方法确定了导致硅堆损坏的原因。研究结论有助于提高高压硅堆在ETC应用中的寿命与可靠性。

1　试验系统简介

试验系统主要由ETC发射研究装置和PPS两部分组成。

发射研究装置是一种电爆炸性质的负载，它内置正、负两个电极，电极间采用金属丝连接。在脉冲电流作用下金属丝急剧相变产生电弧等离子体，而后引燃发射药产生急剧膨胀的高温高压气体，试验过程往往伴有强烈的机械振动冲击[18-21]。

试验系统中PPS由10个 PFU并联组成，电路原理如图1所示。PFU集装于专用方舱，并与发射研究装置保持恰当距离。 单个PFU的额定储能为100 kJ，最大工作电压为12 kV，最大输出脉冲电流为50 kA，其主要元件包括1台1 400 μF脉冲电容器Cj、1只80 μH调波电感Lj、1台触发真空开关TVSj和1组高压硅堆Dj,j为1，2，…，10. 高压硅堆由5只Y100ZPE0T12G型大功率整流二极管串联组成，单只二极管的反向不重复峰值电压为4.2 kV、浪涌电流为100 kA.

图1　脉冲电源电路原理图Fig.1　The schematic diagram of PPS circuit

2　故障情况及原因初步分析

近期的一次PPS放电试验中损坏了2组高压硅堆。该试验是ETC系统检查性试验，发射研究装置内部无发射药，两电极为短路连接，PFU工作电压为10.5 kV. 解剖受损硅堆发现，二极管管芯导电接触面局部烧损严重，如图2所示。显然故障时导电接触面这些部位电流密度非常大，但无法明确断定是由过电流还是过电压造成了硅片损坏。

图2　受损的二极管Fig.2　Damaged diode

2.1过电流损坏

发生故障时PFU工作电压仅为10.5 kV，理论计算与之前试验均表明，该电压条件下PFU的脉冲电流峰值小于45 kA，远低于二极管可以承受的浪涌电流。因此，可以确定硅堆不是因过电流而造成损坏。

由图2可见，元件内部反映出管芯导电接触面局部电流密度过大。考虑到试验环境工况，认为可能与之前试验过程中强烈的机械振动冲击有关。由于此次试验之前进行了多次ETC发射研究试验，怀疑存在之前的试验使得硅堆受到强烈机械冲击而损伤的可能，主要机理包括：

1) 之前试验的振动冲击及其积累效应可能造成二极管管芯硅片产生细微裂纹或局部机械损伤，本次试验脉冲放电使得这些部位发生过电流烧毁。

2) 之前试验的振动冲击可能致使硅堆预紧螺栓退化松动，导致二极管管芯导电接触面受力不均匀或压力过小，使得本次脉冲放电试验导电接触面的某些部位出现局部电流密度过大而烧毁。

2.2过电压损坏

从图2所示管芯导电接触面的烧损状况分析，若损坏由电压击穿引起，则损坏过程应该是过电压首先造成管芯导电接触面的某些点处击穿，而后脉冲大电流使得这些击穿点附近局部被烧毁。

由于结电容的存在，在ETC试验中反向偏置的硅堆可能因系统过电压冲击而损坏[16-17]，为此PPS系统选用了额定耐压为21 kV的硅堆，且硅堆二极管均并联500 kΩ电阻和30 Ω/0.33 μF阻容元件共同实现反向偏置的硅堆的静态均压、动态均压和过电压保护，如图3(a)所示。故障时PPS工作电压为10.5 kV，在硅堆的过电压保护范围之内，从而可以排除反向偏置的硅堆遭受过电压冲击损坏的可能。

图3　硅堆保护元件及保护电路Fig.3　Protective device and protection circuit of silicon stack

在正向偏置条件下，当硅堆突然被施加反向高压时，如果二极管的反向恢复时间存在较大差异，并联保护电路因阻值较大将无法有效保护硅堆，先关断的二极管可能因为承受过电压而击穿，造成硅堆损坏。图3(b)中d1,d2,…,d5为硅堆的5只二极管，r1,r2, …,r5为静态均压电阻，rs1,Cs1,rs2,Cs2, …,rs5,Cs5为并联阻容元件，不妨设d1首先关断，d2,d3,d4,d5此时仍处于导通状态，由于电阻r1(500 kΩ)相对较大，而电容Cs1(0.33 μF)相对较小，则d1将不得不承受大部分反向电压。PPS是ETC研究电源，设计用途是对金属丝制作的无感电阻进行放电实现电热转换，它是毫秒级脉冲放电电源且连续两次工作间隔较长(数秒甚至数十分钟)，一般认为上述正向偏置二极管突然反向关断的情况不会出现，故PPS研制过程中没有对硅堆的关断特性进行严格考察和要求。但本次故障发生后深入分析认为，如果PPS的负载是电感性质的，试验中上述正向偏置二极管突然关断的情况就有可能出现。为了叙述方便，将负载等效为图1所示的电阻Re和电感Le串联模型。在PPS非同步放电情况下，若一部分PFU首先触发放电，流过负载的脉冲电流Ip达到峰值后将逐渐下降，此时如果某些因素造成了负载电感分量偏大、电阻分量较小，即流经负载的脉冲电流下降时满足

(1)

则负载电压极性将会发生偏转，使得未开始放电的另一部分PFU输出端(图1中汇流排端、接地端)电压极性同样发生偏转，这将导致该部分PFU内的硅堆正向偏置导通(硅堆流过电流ID)。此后这部分PFU放电将使得内部处于正向偏置的硅堆突然被施加反向电压，而如果硅堆中二极管的反向恢复时间存在较大差异，工作电压较高时就会发生硅堆的反向关断击穿。

3　仿真与试验分析

针对上述可能原因，进行了硅堆的机械振动冲击试验、电路仿真、电压击穿分析、反向恢复时间测试和关断特性测试。下述试验研究中采用的硅堆与故障硅堆为同型号同批次产品。

3.1机械振动冲击

故障发生后设备检查发现10组硅堆预紧螺栓均有不同程度的松动，安装力实测值均高于30 kN，检查表明硅堆的瓷套没有明显的碎裂现象。

试验验证机械振动冲击造成硅堆损坏的可能性。采用机械冲击试验台模拟ETC发射试验过程中硅堆承受的机械冲击，如图4所示，冲击波形近似于100g/6 ms半正弦波(其值大于电源舱内的测量值)。对3组硅堆试品的3个正交轴两个方向各进行3次冲击，每组硅堆承受18次冲击。试验后3组硅堆均出现了预紧螺栓松动的情况，但外观没有形变和碎裂现象，对硅堆二极管拆解后在显微镜下放大检查没有发现异常。对试验前后二极管各主要参数进行对比，发现元件参数没有明显变化。

图4　硅堆机械振动冲击试验及波形Fig.4　Mechanical vibration impact test and test waveform

验证预紧螺栓松动对硅堆性能的影响。对冲击试验后的3组硅堆各进行6次50 kA/10 ms半正弦波脉冲放电，3组共进行18次放电试验，测量发现试验前后各二极管主要参数没有明显差异。在安装力为40 kN、30 kN、20 kN下，依次对硅堆均进行了6次50 kA/10 ms半正弦波脉冲放电，3组共进行18次放电试验，测量发现试验前后各二极管主要参数没有明显差异。对硅堆4根预紧螺栓施加不同力矩，即4根螺栓采用80 N·m、60 N·m、50 N·m、40 N·m、30 N·m力矩的任意配搭组合，进行20次50 kA/10 ms半正弦波脉冲放电，试验结束后对试品检测均正常。

上述试验表明，机械振动冲击不会造成硅堆损坏。分析认为硅堆具有良好的机械性能是由于硅堆夹具的顶端与底端均配置了如图5所示的平衡叠簧。平衡叠簧对不平衡力具有自动调整平衡功能，即使4根预紧螺栓受力存在较大差异，也能保证元件导电接触面上压力的均匀分布。但是，试验表明振动冲击仍然会造成预紧螺栓的松动，需要进行技术改进。

图5　硅堆的平衡叠簧Fig.5　Balance spring of silicon stack

3.2恢复过程电压击穿

考察ETC试验系统的现场实际情况。自PPS汇流器到发射研究装置采用了由多股软铜线制作的双传输线结构导线，单根导线长约7.5 m. 发射研究装置内部短路时该传输线的电感值为15.7 μH、电阻值为1.9 mΩ. 查阅试验记录发现，发生故障时PPS中各PFU放电设置与本文2.2节过电压损坏机理分析中所陈述的放电设置情况一致。依据前述PPS的电气参数和各PFU的放电设置，借助MATLAB/Simulink进行仿真，仿真结果如图6所示，由图6可知，由于负载电压极性发生了偏转，后放电的PFU硅堆在该部分PFU触发放电前出现了正向偏置导通现象。由于PPS中PFU采用了RVU-43型触发真空开关，该型开关上升时间通常少于数百纳秒，开通迅速[22-23]，故而硅堆二极管反向恢复时间是否具有较大差异成为了判定故障原因的关键。

图6　脉冲放电仿真电流波形Fig.6　The simulated current waveforms of PPS discharge

对3组硅堆二极管试品在不同条件下的反向恢复时间和关断特性进行测试，发现各二极管的反向恢复特性偏差较大。多种测试条件下硅堆组内二极管反向恢复时间均存在数微秒的偏差，其中第1组硅堆二极管反向恢复时间trr如表1所示。表1同时给出了试品在不同测试条件下的反向恢复电荷Qrr和恢复系数S. 表1中ITM为通态峰值电流，dI/dt为通态电流临界上升率。由表1可知，同等条件下组内反向恢复电荷偏差最高达30%以上，这也反映出硅堆二极管的反向恢复时间确实存在较大差异。因此原因已明确，即传输线电感分量偏大使得PPS的等效负载呈感性，在非同步放电情况下感性负载致使后放电的PFU内硅堆正向偏置导通，这部分PFU的真空开关触发开通后，硅堆被突然施加了反向高电压，由于组内二极管的反向恢复特性存在较大差异，关断过程中发生了过电压击穿。

表1　硅堆二极管的反向恢复特性

4　结论

1)机械冲击试验表明，硅堆故障不是由于电热化学发射过程中的机械振动冲击引起的，但强烈机械冲击会造成硅堆紧固螺栓退化松动，不利于设备长期运行。为了提高硅堆运行寿命和可靠性，减少检修工作量，需要改进设计硅堆的紧固螺栓。

2)负载特性考察、脉冲放电仿真、硅堆反向恢复特性测量等表明，故障由电感性质负载特性、串联元件的反向恢复特性不一致和脉冲电源非同步放电3种因素共同导致。考虑到该PPS设计用途是实现电热转换，可认定传输线选用不当、电感分量偏大是造成本次故障发生的直接原因和主要因素。当前条件下，应改变电能传输结构，改用低电感值的传输线(例如同轴大功率电缆)以防止故障再次发生。为了提高PPS的性能，在条件允许时选择反向恢复时间特性一致的硅堆对原硅堆进行更换。今后电源研制应注意考察硅堆二极管的反向恢复时间的一致性。

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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

国家自然科学基金项目(11272158)

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

栗保明(1966—)， 男， 教授， 博士生导师。 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