PCB平面三电极空气火花隙开关导通特性试验研究_曹兴.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0001-05PCB平面三电极空气火花隙开关导通特性试验研究曹兴，韩克华，杨康，郭凯，吴琴钟，马红（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）摘要：针对平面三电极空气火花隙开关的稳定性、响应时间等动态性能问题，设计了阴极与阳极间隙为1.6，1.8，2.0，2.2，2.4mm 的 5 种 PCB 平面三电极空气火花隙开关，分别对开关的最小击穿电压、导通性能的变化规律和放电寿命进行了试验研究。试验结果表明：PCB 平面三电极空气火花隙开关的最小击穿电压随着导通次数、阴极与阳极间隙的增加而增大；在高压电容器充电电压、触发端的脉冲电压一致的条件下，相同参数开关的响应时间随着导通次数的增加而增大；在其他条件不变的情况下，开关阴极与阳极间隙越大，开关的放电寿命越长。关键词：PCB平面三电极；空气火花隙开关；最小击穿电压；响应时间；放电寿命中图分类号：TJ450.2文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.001ExperimentalStudy on ConductionCharacteristicsof PCB Planar ThreeElectrode Air Spark Gap SwitchCAO Xing,HAN Ke-hua,YANG Kang,GUO Kai,WU Qin-zhong,MA Hong(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xian,710061)Abstract：Aiming at the stability,response time and other dynamic performance problems of planar three electrode airspark gap switch,fivePCB planar three electrode air spark gap switcheswith gaps betweencathode and anodeof 1.6mm,1.8mm,2.0mm,2.2mm and 2.4mm were designed in this paper.The minimum breakdown voltage,conductivity response and dischargelifeoftheswitchesweretestedandstudiedrespectively.Thetestresultsshowthattheminimumbreakdown voltageofPCBplanarthree electrodeair sparkgap switch increaseswith theincreaseof conduction times andgap between cathodeand anode of switch;When the charging voltage of the high voltage capacitor and the pulse voltage at the trigger end remain the same,the responsetime of the switch with the same parameters increases with the increase of the conduction times;When other conditions remainunchanged,thelargerthegapbetweencathodeandanodeoftheswitch,thelongerthedischargelifeoftheswitch.Keywords：PCBplanarthreeelectrode；Airsparkgapswitch；Minimumbreakdownvoltage；Responsetime；Dischargelife高压开关作为爆炸箔起爆系统的重要组成器件，对起爆系统能否形成可靠的窄脉冲大电流起关键作用。爆炸箔起爆系统用高压开关主要包括触发真空开关和触发火花隙开关1-2、半导体开关3-4、平面介质开关5-8。由于平面介质开关体积小、成本低、制作方便，便于与爆炸箔进行集成，逐步成为国内外研究者关注的对象，其中，平面火花隙开关因其可重复性而得到广泛研究。1993 年，Waschl JA1首次提到使用磁控溅射桥箔制作的平面三电极火花隙开关，并将该平面三电极火花隙开关用于导通放电性能研究。2006年，王桂吉5等制作出一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极高压开关，阴极和阳极为半圆形的不锈钢，触发电极为窄细条的钨铜合金，该开关应用于充电电压小于 10kV 的脉冲功率装置时，与立体火2023 年02 月2023 年第1 期收稿日期：2022-06-23作者简介：曹兴（1996-），男，在读硕士研究生，从事爆炸箔火工品技术研究。通讯作者：韩克华（1981-），男，研究员，从事爆炸箔火工品技术研究。基金项目：国家“十四五”基础科研项目（No.90903050301）。曹兴等：PCB 平面三电极空气火花隙开关导通特性试验研究22023 年第1 期花隙三电极开关相比，放电回路电感降低约 50nH，周期缩短近1/3，峰值电流增加约 1/3。2012 年，周镇威等6采用表面微加工技术设计并制作了开关，得出开关的峰值电流为 3.45kA，上升时间为 164ns；通过电路仿真并提取参数，得出开关的电感为 26.5nH，电阻为 66m。然而上述开关均没有对开关电极及火花隙进行封装，容易受到灰尘、水滴等外界条件的污染而影响导通性能。2021 年，杨智等7-8采用 PCB 对平面三电极空气火花隙开关进行了封装，并研究了该开关不同参数下的最小击穿电压、放电峰值电流等性能。但对该开关最小击穿电压在多次导通条件下的稳定性、导通性能及响应时间等动态性能的变化规律、放电寿命变化规律及失效原因等并未进行研究。针对上述问题，本文设计了不同参数的 PCB 平面三电极空气火花隙开关，并对开关的最小击穿电压、响应时间与导通次数之间的关系、开关的导通稳定性及失效原因进行研究，为爆炸箔起爆系统小型化、低成本化研究提供技术途径。1开关的设计及制备1.1设计PCB 平面三电极空气火花隙开关由 3 块芯板、电极材料和半固化片组成，立体结构如图1 所示。图1PCB 平面三电极空气火花隙开关内部结构图Fig.1Internalstructurediagramof PCBplanethreeelectrodeairsparkgapswitch开关构件从上到下依次为芯板 1、电极材料、半固化片 1、芯板 2、半固化片 2、电极材料、芯板 3。芯板2与半固化片粘接，中间通过槽孔形成密封空腔，密封空腔体积固定为 5mm6mm1mm。开关的 3个电极位置及其之间的空气间隙结构如图2 所示。开关的 3 个电极分别为阴极、触发极、阳极，中间紫色线框包括的部分为密封空腔的范围，为矩形区域，长为 5mm，宽为 6mm。为有效减少尖端效应的影响，阳极与阴极的电极头部设计为半圆形；而为有效利用尖端效应，触发极头部设计为矩形。阴极触发极ab5mm6mm阳极c图 2开关3 个电极位置及之间的空气间隙结构Fig.2Threeelectrodepositionsof theswitchand theairgapstructurebetweenthem根据气体击穿理论，空气击穿场强为 3kV/mm，考虑到触发极在阳极-阴极中间可能会使最小击穿电压降低，设计开关阳极头部和阴极头部之间的距离 c为 1.6，1.8，2.0，2.2，2.4mm；触发极头部与阴极头部之间的间隙 a 固定为 0.5mm；触发极头部宽度 b 固定为 0.6mm，则触发极头部与阳极头部之间的间隙分别为 0.5，0.7，0.9，1.1，1.3 mm。理论计算可得开关的最小击穿电压分别为 1.5，2.1，2.7，3.3，3.9 kV，包含了爆炸箔起爆系统用三电极空气火花隙开关的应用范围（1.53.0 kV）。1.2制备采用多层PCB 制备工艺制备 PCB 平面三电极空气火花隙开关，其中芯板是一种硬质、有特定厚度、两面包铜的板材，是构成印制板的基础材料；电极材料为铜箔，是沉淀于电路板基底层上的一层薄的、连续的铜，是 PCB 的导电体；半固化片是指经过处理的玻纤布，浸渍上树脂胶液，再经热处理（预烘）而制成的薄片材料。制备所得 PCB 平面三电极空气火花隙开关实物如图 3（a）所示。为保障该开关的内部工艺质量，使用 X 光射线对该开关进行检测，检测结果如图 3（b）所示。（a）开关实物图（b）开关内部结构图3PCB平面三电极空气火花隙开关实物和内部结构Fig.3Physicalobjectand internalstructureof PCBplanethreeelectrodeairsparkgapswitch由图 3（b）可以清晰地分辨出触发极、阴极、阳极及密封空腔的位置，开关的电极结构完整，3 个电极的电极区域纯净，且电极间隙之间没有多余的杂质，不会影响开关的导通放电过程，可用于试验测试。芯板1阴极触发极阳极阴极触发极阳极半固化片1半固化片2芯板2半固化片1半固化片2芯板2密封空腔0.95mm0.018mm芯板3电极材料火工品2023 年 02月32试验部分2.1试验装置PCB 平面三电极空气火花隙开关导通特性的测试电路原理如图 4 所示。试验设备主要包括 TRC2020P6-12 型高压电源、HV6KV-4kV 型触发电源、C471/0.22F/3.0kV 型高压电容器、PCB 平面三电极空气火花隙开关以及桥区厚度为 5.0m，尺寸 0.5mm0.5mm 的爆炸桥箔或长 20cm的圆形导线，其电阻为(455)m，1MHz 测量频率下的电感为(305)nH。测试设备包括采样速率不低于1GS/s的数字存储示波器(DSO)、1 000X/0.3pF/100M型高压探头、5008C型 Rogowski 电流测量线圈。图4测试电路原理图Fig.4Schematicdiagramof testcircuit图 4 中高压电源给高压电容器充电升压，用高压数字表检测充电电压；当触发电源提供的脉冲电压信号经过 PCB 平面三电极空气火花隙开关的触发极，使开关导通时，高压电容器上的高电压经过 PCB 平面三电极空气火花隙开关和爆炸桥箔，形成回路电流。使用 Rogowski 线圈测量回路电流，使用高压探头采集触发端的脉冲电压信号，并通过数字存储示波器记录回路电流及触发端的脉冲电压信号。2.2试验结果及分析2.2.1 最小击穿电压最小击穿电压可以表征 PCB 平面三电极空气火花隙开关的安全特性。为研究开关最小击穿电压随导通次数的变化规律，采用高压电源以约 60V/s 的速率缓慢给高压电容器充电升压，直至开关发生自击穿，记录此时的电压，即最小击穿电压 Vbk，手动切断电源。等待高压电容器放电至电压趋于零，接通电源，重新开始以相同速率给高压电容器充电升压，进行下一次自击穿试验。当 c 从 1.6mm 增大到 2.4mm 时，5种间隙开关的最小击穿电压与充电次数的曲线见图5。图5导通次数和最小击穿电压Fig.5Conductiontimesand minimum breakdownvoltage从图 5 可知，当 c 为 1.6mm 和 1.8mm 时，PCB平面三电极空气火花隙开关对应的第1次最小击穿电压最低为 1 580 V；c 为 2.4mm 时，第 1 次最小击穿电压最低为2 080V。最小击穿电压 Vbk随着开关的导通次数的增加而增大，并且超过 3 000V。因为高压电容器的额定电压为 3 000V，为避免高压电容器因耐压不足而影响试验结果，不再进行超过 3 000V 的试