CN111641200A - 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元 - Google Patents

基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元 Download PDF

Info

Publication number
CN111641200A
CN111641200A CN202010553178.4A CN202010553178A CN111641200A CN 111641200 A CN111641200 A CN 111641200A CN 202010553178 A CN202010553178 A CN 202010553178A CN 111641200 A CN111641200 A CN 111641200A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pulse power
pcb
power switch
bonding pad
exploding foil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010553178.4A
Other languages
English (en)
Inventor
朱朋
刘鹏
沈瑞琪
叶迎华
吴立志
张伟
胡艳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202010553178.4A priority Critical patent/CN111641200A/zh
Publication of CN111641200A publication Critical patent/CN111641200A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/06—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using spark-gap arresters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/044—Physical layout, materials not provided for elsewhere

Landscapes

  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

本发明属于火工品领域，具体涉及一种基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元。包括串联式气体放电管高压脉冲功率开关，PCB线路板，集成爆炸箔起爆器以及脉冲功率电容；串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器和脉冲功率电容以串联的形式集成在PCB线路板上。本发明的将技术成熟、价格低廉的放电管以串联的方式制作成脉冲功率开关并将其应用于脉冲功率领域，可以降低脉冲功率开关的成本，同时将开关、爆炸箔起爆器和高压脉冲电容集成在PCB板上，可以缩短放电回路、提高能量利用率。

Description

基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元
技术领域
本发明属于火工品领域，具体涉及一种基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元。
背景技术
脉冲功率技术是一种使用高电压、大电流、高功率的短脉冲技术。一般说来，脉冲功率装置包括初级能源、中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统、测量系统和负载。其形成过程是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，向中间储能和脉冲形成系统注入能量；再次，能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化，等某些复杂过程之后，最后快速释放给负载，脉冲放电时在负载上的功率在106W以上。
高压开关的性能对脉冲的上升时间、幅值有着重要的影响。高压开关的闭合速度是其中最重要的性能要求，表明了允许脉冲电流通过的能力，高压开关的电阻和电感则决定了其性能，低阻抗、低感抗的高压开关带来的能量损失更小，因此，高压开关在脉冲功率系统中占有特殊的地位。
高压开关是爆炸箔起爆器系统的关键组件，直接决定着起爆回路的输出特性，影响起爆器的发火性能。目前国内外主要使用的是立体式火花隙三电极结构的气体开关和真空开关、IGBT、MCT半导体开关。IGBT和MCT半导体开关工作电压上限低(MCT开关的工作电压小于1400V)，工作温度上限低，漏电电流大且响应速度慢。而立体式火花隙三电极结构的气体开关和真空开关价格很高，不利于在低成本领域使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元，包括串联式气体放电管高压脉冲功率开关，PCB线路板，集成爆炸箔起爆器以及脉冲功率电容；
所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器和脉冲功率电容以串联的形式集成在PCB线路板上。
进一步的，所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关是将两个不同击穿电压的封闭式气体放电管用串联的方式焊接起来，两端的引线作分别为阳电极和阴电极，两个放电管中间引一根导线作为触发电极；通过在触发电极和高击穿电压气体管之间加上触发电压，使得开关导通。
进一步的，所述每个放电管包括两个电极，陶瓷管壳和封装在陶瓷管壳内的惰性气体；所述惰性气体是氩气或者氖气，所述阳电极、触发电极和阴电极为纯铁电极。
进一步的，所述PCB线路板上设有第一焊盘，第二焊盘和第三焊盘，PCB线路板布线的线路从第三焊盘开始，以串联方式依次经过第二焊盘、第一焊盘，最后回到第三焊盘的另一极。
进一步的，所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关位于PCB线路板上第一焊盘处，其阳电极、触发电极和阴电极穿过通孔，焊接到第一焊盘上。
进一步的，所述集成爆炸箔起爆器位于PCB线路板上第二焊盘处，通过集成爆炸箔起爆器两端的焊盘压焊于第二焊盘两端；所述第二焊盘存在于PCB线路板的两侧，两侧的焊盘是相通的，当进行电性能及测速试验时，爆炸箔起爆器焊接在PCB线路板上器件一侧的焊盘上，以便于试验时位置调整与观察；当进行起爆试验时，将爆炸箔起爆器焊接在PCB线路板上器件反侧的焊盘上。
进一步的，所述脉冲功率电容位于PCB线路板第三焊盘处，通过第三焊盘焊接入PCB线路板。
进一步的，所述PCB线路板的厚度为1mm-2mm，所述PCB线路板的材质为FR-4、FR-1或FR-2。
进一步的，所述集成爆炸箔起爆器包括第一基底层，金属箔层，飞片层和加速膛；
所述第一基底层作为爆炸箔起爆器的背板，以使桥区电爆炸所产生的等离子体主要用于驱动飞片；所述金属层通过磁控溅射工艺沉积于基底层之上；所述飞片层作为冲击起爆含能材料的换能介质；所述加速膛为飞片加速提供空间。
进一步的，所述脉冲功率电容作为储能单元，所述脉冲功率电容四分之一放电周期在一百到两百纳秒之间。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明将价格低廉的放电管以串联的方式制作成脉冲功率开关并将其应用于脉冲功率领域，极大的降低了脉冲功率开关的成本，可以使原本高成本的爆炸箔起爆器应用在民用爆破领域；
(2)相较于单次触发高压开关固有的作用一次性特点，串联式气体放电管高压脉冲功率开关可以多次重复使用且不影响作用性能；
(3)第二焊盘存在于PCB线路板两侧，当进行电性能及测速试验时，爆炸箔起爆器焊接在PCB线路板上器件一侧的焊盘上，以便于试验时位置调整与观察；当进行起爆试验时，将爆炸箔起爆器焊接在PCB线路板上器件反侧的焊盘上，这样可以达到在起爆炸药时保护脉冲功率开关和脉冲功率电容的目的；
(4)将开关、爆炸箔起爆器和高压脉冲电容集成在PCB板上，可以缩短放电回路、提高能量利用率；
(5)本申请的放电单元操作简便。
附图说明
图1是基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元三维结构图。
图2是基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元爆炸视图。
图3是基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元A-A剖面图。
图4是PCB线路板布线示意图。
图5是集成爆炸箔起爆器的三维轮廓图。
图6是集成爆炸箔起爆器B-B剖面图。
附图标记说明：
1-阳电极，2-陶瓷管壳，3-惰性气体，4-触发电极，5-阴电极，6-PCB线路板，7-通孔，8-第一焊盘，9-第二焊盘，10-第三焊盘，11-集成爆炸箔起爆器，12-脉冲功率电容，13-第一基底层，14-金属箔层，15-飞片层，16-加速膛。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1～图6，所述基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元包括串联式气体放电管高压脉冲功率开关、PCB线路板、集成爆炸箔起爆器以及脉冲功率电容，串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器和脉冲功率电容以串联的形式集成在PCB线路板上。
所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关包括阳电极1、陶瓷管壳2、惰性气体3、触发电极4和阴电极5。
所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关是将两个不同击穿电压的封闭式气体放电管用串联的方式焊接起来，两端的引线作为阳电极1和阴电极5，中间引一根导线作为触发电极4。通过在触发电极4和高击穿电压气体管之间加上触发电压，使得开关导通。
所述PCB线路板6作为承载串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器11和脉冲功率电容12的载体，串联式气体放电管高压脉冲功率开关位于PCB线路板6上第一焊盘8处，其阳电极1、触发电极4和阴电极5穿过通孔7，焊接到第一焊盘8上，以保证开关在PCB线路板6上的稳固性。
集成爆炸箔起爆器11位于PCB线路板6上第二焊盘9处，通过集成爆炸箔起爆器11两端的焊盘压焊于第二焊盘9两端。同时，第二焊盘9也存在于PCB线路板6相同位置另一面，两侧的焊盘是相通的，当进行电性能及测速试验时，爆炸箔起爆器11焊接在PCB线路板6上器件一侧的焊盘上，以便于试验时位置调整与观察；当进行起爆试验时，将爆炸箔起爆器11焊接在PCB线路板6上器件反侧的焊盘上，这样可以达到在起爆炸药时保护脉冲功率开关和脉冲功率电容12的目的。脉冲功率电容12位于PCB线路板6第三焊盘10处，通过第三焊盘10焊接入PCB线路板6。PCB线路板6上的布线用以连接串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器11和脉冲功率电容12。线路从第三焊盘10开始，以串联方式依次经过第二焊盘9、第一焊盘8，最后回到第三焊盘10另一极。所述集成爆炸箔起爆器11包括第一基底层13、金属箔层14、飞片层和加速膛15。所述第一基底层13作为爆炸箔起爆器11的背板，以使桥区电爆炸所产生的等离子体主要用于驱动飞片；所述金属层14通过磁控溅射工艺沉积于基底层之上；所述飞片层15作为冲击起爆含能材料的换能介质；所述加速膛15为飞片加速提供空间。所述脉冲功率电容12作为储能单元，具有快速放电的能力，四分之一放电周期在一百到两百纳秒之间。
实施例
结合图1～图6，所述基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元包括串联式气体放电管高压脉冲功率开关、PCB线路板、集成爆炸箔起爆器以及脉冲功率电容。所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关是将两个不同击穿电压的封闭式气体放电管用串联的方式焊接起来，气体放电管尺寸为
Figure BDA0002543321210000051
管壳为陶瓷材料，内部充的惰性气体可为Ar或者Ne，两端的引线作为阳电极1和阴电极5，中间引一根导线作为触发电极4，考虑到爆炸箔起爆器11使用的起爆电压在1000V-2000V，选取的气体放电管击穿电压也在2000V以下。通过在触发电极4和高击穿电压气体管之间加上触发电压，使得开关导通。所述PCB线路板6作为承载串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器11和脉冲功率电容12的载体，其表面尺寸为32mm×23mm，串联式气体放电管高压脉冲功率开关位于PCB线路板6上第一焊盘8处，其阳电极1、触发电极4和阴电极5穿过通孔7，焊接到第一焊盘8上，以保证开关在PCB线路板6上的稳固性。
集成爆炸箔起爆器11位于PCB线路板6上第二焊盘9处，通过集成爆炸箔起爆器11两端的焊盘压焊于第二焊盘9两端。同时，第二焊盘9也存在于PCB线路板6相同位置另一面，两侧的焊盘是相通的，当进行电性能及测速试验时，爆炸箔起爆器11焊接在PCB线路板6上器件一侧的焊盘上，以便于试验时位置调整与观察；当进行起爆试验时，将爆炸箔起爆器11焊接在PCB线路板6上器件反侧的焊盘上，这样可以达到在起爆炸药时保护脉冲功率开关和脉冲功率电容12的目的。脉冲功率电容12位于PCB线路板6上第三焊盘10处，通过第三焊盘10焊接入PCB线路板6。PCB线路板6上的布线用以连接串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器11和脉冲功率电容12。线路从第三焊盘10开始，以串联方式依次经过第二焊盘9、第一焊盘8，最后回到第三焊盘10另一极。所述集成爆炸箔起爆器11包括第一基底层13、金属箔层14、飞片层和加速膛15。所述第一基底层13作为爆炸箔起爆器11的背板，以使桥区电爆炸所产生的等离子体主要用于驱动飞片；所述金属层14通过磁控溅射工艺沉积于基底层之上；所述飞片层15作为冲击起爆含能材料的换能介质；所述加速膛15为飞片加速提供空间。
将基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元与外部脉冲功率单元相连接，开展了爆炸箔电爆特性、电爆炸等离子体驱动飞片、飞片冲击起爆HNS炸药等研究。其中飞片冲击起爆HNS炸药试验机理为：控制模块发送触发信号给高压开关，高压开关随即闭合，此时回路中产生脉冲大电流，当脉冲大电流经过集成爆炸箔起爆器时，金属桥箔因为电爆炸而驱动飞片撞击HNS药柱，使药柱发生爆炸并。
研究结果表明：基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元可以在0.30μF/1.5kV条件下成功起爆细化HNS炸药，从而证明了串联式气体放电管高压脉冲功率开关可以用于爆炸箔起爆器放电单元，且该放电单元能够满足脉冲功率领域的使用条件。

Claims (10)

1.一种基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元，其特征在于，包括串联式气体放电管高压脉冲功率开关，PCB线路板，集成爆炸箔起爆器以及脉冲功率电容；
所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关、集成爆炸箔起爆器和脉冲功率电容以串联的形式集成在PCB线路板上。
2.根据权利要求1所述的放电单元，其特征在于，所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关是将两个不同击穿电压的封闭式气体放电管用串联的方式焊接起来，两端的引线作分别为阳电极(1)和阴电极(5)，两个放电管中间引一根导线作为触发电极(4)；通过在触发电极(4)和高击穿电压气体管之间加上触发电压，使得开关导通。
3.根据权利要求2所述的放电单元，其特征在于，所述每个放电管包括两个电极，陶瓷管壳(2)和封装在陶瓷管壳(2)内的惰性气体(3)；所述惰性气体(3)是氩气或者氖气，所述阳电极(1)、触发电极(4)和阴电极(5)为纯铁电极。
4.根据权利要求1所述的放电单元，其特征在于，所述PCB线路板(6)上设有第一焊盘(8)，第二焊盘(9)和第三焊盘(10)，PCB线路板(6)布线的线路从第三焊盘(10)开始，以串联方式依次经过第二焊盘(9)、第一焊盘(8)，最后回到第三焊盘(10)的另一极。
5.根据权利要求4所述的放电单元，其特征在于，所述串联式气体放电管高压脉冲功率开关位于PCB线路板(6)上第一焊盘(8)处，其阳电极(1)、触发电极(4)和阴电极(5)穿过通孔(7)，焊接到第一焊盘(8)上。
6.根据权利要求5所述的放电单元，其特征在于，所述集成爆炸箔起爆器(11)位于PCB线路板(6)上第二焊盘(9)处，通过集成爆炸箔起爆器(11)两端的焊盘压焊于第二焊盘(9)两端；所述第二焊盘(9)存在于PCB线路板(6)的两侧，两侧的焊盘是相通的，当进行电性能及测速试验时，爆炸箔起爆器(11)焊接在PCB线路板(6)上器件一侧的焊盘上，以便于试验时位置调整与观察；当进行起爆试验时，将爆炸箔起爆器(11)焊接在PCB线路板(6)上器件反侧的焊盘上。
7.根据权利要求6所述的放电单元，其特征在于，所述脉冲功率电容(12)位于PCB线路板(6)第三焊盘(10)处，通过第三焊盘(10)焊接入PCB线路板(6)。
8.根据权利要求7所述的放电单元，其特征在于，所述PCB线路板(6)的厚度为1mm-2mm，所述PCB线路板(6)的材质为FR-4、FR-1或FR-2。
9.根据权利要求8所述的放电单元，其特征在于，所述集成爆炸箔起爆器(11)包括第一基底层(13)，金属箔层(14)，飞片层(15)和加速膛(16)；
所述第一基底层(13)作为爆炸箔起爆器的背板，以使桥区电爆炸所产生的等离子体主要用于驱动飞片；所述金属层(14)通过磁控溅射工艺沉积于基底层之上；所述飞片层(15)作为冲击起爆含能材料的换能介质；所述加速膛(16)为飞片加速提供空间。
10.根据权利要求1所述的放电单元，其特征在于，所述脉冲功率电容(12)作为储能单元，所述脉冲功率电容(12)四分之一放电周期在一百到两百纳秒之间。
CN202010553178.4A 2020-06-17 2020-06-17 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元 Pending CN111641200A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010553178.4A CN111641200A (zh) 2020-06-17 2020-06-17 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010553178.4A CN111641200A (zh) 2020-06-17 2020-06-17 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111641200A true CN111641200A (zh) 2020-09-08

Family

ID=72332613

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010553178.4A Pending CN111641200A (zh) 2020-06-17 2020-06-17 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111641200A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112923801A (zh) * 2021-01-29 2021-06-08 南京理工大学 采用pcb工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112923801A (zh) * 2021-01-29 2021-06-08 南京理工大学 采用pcb工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法
CN112923801B (zh) * 2021-01-29 2022-05-20 南京理工大学 采用pcb工艺制备的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107091599A (zh) 一种集成的冲击片起爆装置
US5080016A (en) Hydrogen loaded metal for bridge-foils for enhanced electric gun/slapper detonator operation
CN111641200A (zh) 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元
CN212991970U (zh) 基于串联式气体放电管高压脉冲功率开关的放电单元
CN111721163A (zh) 一种基于平面高压开关的微芯片集成爆炸箔起爆器
CN1158003C (zh) 毛细管等离子体发生器
CN105763096B (zh) 一种用于驱动消融毛细管放电的组合波电路
CN109297365A (zh) 基于ltcc工艺的平面三电极开关和爆炸箔集成芯片
CN203758390U (zh) 爆炸丝起爆装置
US3680397A (en) Method of forming workpieces by means of underwater impact pressure
CN109802302B (zh) 基于ltcc工艺的密闭式平面三电极开关芯片
CN109327953B (zh) 一种大面积紫外光波段的脉冲强闪光光源
CN103925856A (zh) 爆炸丝起爆装置
CN207280311U (zh) 一种集成的冲击片起爆装置
CN212277621U (zh) 一种伪火花开关
CN115333397A (zh) 一种全固态百千伏高压纳秒脉冲电源
US3200626A (en) Electrical explosion forming
CN111082792B (zh) 一种光控半导体开关
CN112923800B (zh) 基于电爆炸和等离子体放电耦合的爆炸箔芯片及制备方法
US3249800A (en) Fast acting switch utilizing a vaporizable wire
CN220380397U (zh) 等离子点火件及含有其的电子雷管
CN219247727U (zh) 一种基于mems工艺高集成度的微型高压放电单元
CN118149654A (zh) 一种基于电爆炸等离子体增强的爆炸箔芯片
US4019079A (en) Gas injected vacuum switch
CN115132453B (zh) 一种产生延时可调共轴多脉冲的fltd脉冲源

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination