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

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）

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。

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

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。

图1 半导体桥点火器桥药结合区示意

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，并随着半导体桥的相变过程的变化而随之波动。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，使线路电流增大，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

结合表1半导体桥不同温度下的变化过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1～6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随时间变化的典型曲线为例，关联对应了序号1～6种桥区状态在曲线中的分布情况。

图2 SCB桥区电流流动情况以及微观区域划分

表2 半导体桥桥区不同部位在供电过程中的温度和状态变化

Tab.2 The state of SCB at different temperatures

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”。

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]。

注：图中序号1～6对应表2中序号1～6，表示半导体。

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 μm×400 μm×2 μm；电路开关分别选用实际工程中常用的机械开关和电子开关的两种类型开关，即电磁继电器（单个触点接触电阻0.01 Ω）和MOS功率开关管（电阻0.06 Ω）。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

试验电流与供电时间曲线如图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。

图4 点火电流不同步影响试验简化电路图

图5 一个电源同时点四路半导体桥点火器电路电流随时间变化曲线

（1）点火电流供电不同步对半导体桥点火器的影响分析

通过图5（a）实测的4个半导体桥点火器支路电流变化曲线看出，各点火器实测的电流上升沿起始点分别为0 μs、25 μs、140 μs、176 μs，电流上升沿均在5 μs左右，说明电路接通时，电流迅速作用在半导体桥点火器上，但继电器的4对触点在吸合时具有最大偏差，达到176 μs的不同步性。同时观察电流曲线变化，发现电路在接通点火器2通电25 μs后，点火器4所在支路接通，此时点火器2实测的电流曲线急速下降至4.5A，之后再逐渐恢复至6.8 A，出现了明显的电流急降拐点；电路在接通点火器3通电36 μs后，点火器1所在支路接通，此时点火器3实测的电流曲线同样出现了电流急降拐点，最低降至3.6A，之后在逐渐恢复至5A，由此可以说明后吸合的电路支路会导致先吸合的电路支路中通过点火器的电流出现急降拐点，对其余支路中正在通电的半导体桥点火器电流输入造成短暂干扰。

试验完成后，对工作后的点火器半导体桥区进行了显微拍照，如图6所示，后导通电流的点火器1和点火器4桥区燃烧正常，先导通电流的点火器2和点火器3桥区燃烧不完全，呈青色液态流动凝固状。利用区域性相变分析方法分析，点火器2和点火器3分别在导通电流后26μs和36μs时出现的电流急降，正是电路的电流处于变小后的上升阶段，说明半导体桥已经进入相变阶段，结合区域性相变分析理论，蝶形半导体桥片的A区和B区已经开始液化。在半导体桥区发生相变时，更加需要持续供应一定密度的能量用于支持桥区继续相变，此时电路中的供电电流受到另一电路接通时突然急降的干扰，导致该区域的相变终止，使桥区表现出不完全烧蚀现象。

图6 工作后的SCB烧蚀状态图

该试验结果表明，当多路半导体桥点火器并联点火时，支路上开关接通时间不同步会导致后接通支路引起先接通支路的电流急降。基于半导体桥点火器的作用机理，若点火器处于相变过程中，此时电流下降会导致半导体桥相变过程因能量无法持续供给而使相变过程中断，进而使点火器失效。

（2）点火电流上升慢对半导体桥点火器的影响分析

通过图5（b）电流变化曲线看出，使用MOS功率开关管控制的电路能够保证四个支路上点火器同时接通，电流曲线呈现同时上升，但上升到平稳段的电流出现拐点时间约105 μs，其电流上升沿时间和出现电流拐点时间较电磁继电器开关控制的电路长。因此，使用MOS功率开关管控制电路能够保证各支路电流的同步性，避免各支路之间的相互干扰，但根据实测电流曲线结果看出电流达到规定的供电电流需要一定的上升时间。利用区域性相变分析方法分析，电流上升的快慢直接影响半导体桥片“尖点效应”的反应程度，因此，为进一步研究电流上升快慢对半导体桥能量释放的影响，再次搭接试验电路，该试验电路简化图如图7所示。利用电容充电的方式控制电路开关，从而达到调整输入电流上升沿大小的目的。试验试件使用半导体桥电极塞，编号为1#～6#，半导体桥部位为蝶形半导体桥，规格为100 μm× 400 μm× 2 μm，与半导体桥点火器一致。试验过程中，通过观察通入半导体桥电极塞电流的变化情况以及半导体桥电极塞通电后的烧蚀状态，分析电流上升沿对半导体桥能量释放的影响，试验共进行了6次。

试验过程中使用电流钳及示波器对通过半导体桥片的电流进行测量和监测，示波器采样频率为100 MHz。具体试验数据如表3所示，实测通过半导体桥电流与供电时间的变化曲线如图8所示，桥区相变形态图如图9所示。

表3 上升沿点火试验数据

Tab.3 Data in the different rising edge of power supply test

图7 模拟不同供电上升沿的点火电路示意

图8 不同电流上升沿SCB电极塞实测电流曲线图

图9 上升沿点火器试验后桥区表面烧蚀状态图

以上6组试验均是在相同的供电电压条件下进行的，仅电流上升沿设置不同。如图8所示，通过对比6组通过半导体桥电极塞的实测电流曲线，可以看出供电上升沿为27 μs的1#半导体桥电极塞的电流变化时间远小于其余2#～6#半导体桥电极塞；同时峰值电流也最大，具体数值如表3所示。说明当电流上升沿为27 μs时，半导体桥反应迅速，在整个相变反应过程中桥阻变化小，因此实际经过半导体桥的峰值电流较大；当电流上升沿增加时，供给半导体桥相变的能量减缓，使桥片“尖点效应”减弱，半导体桥相变电阻波动增加，同时随着电流上升时间的增大，电阻阻值波动时间增长。因此，随着供电电流的上升沿时间增大，实测半导体桥两端电流变化时间变长，即说明半导体桥区桥阻变化时间增大，半导体桥相变反应过程变长。

进一步对比电流上升沿设置在125～189 μs之间的2#～6#半导体桥电极塞实测的电流变化曲线，第一个电流峰值的持续时间T随着电流上升沿时间的增加而增长，同时第一峰值电流值随着上升沿时间的增加而减少。结合图9桥区烧蚀图像可以看出，3#半导体桥电极塞（上升沿为144 μs）试验后，桥区明显成青色熔融状态，起爆成像不如其余试件，说明该桥片能量没有正常释放。进一步说明半导体桥在点火电流供应速度减缓时，相变速度随着能量输入减缓而减慢，桥片不同区域的相变速度趋于一致，从而使桥阻增大，实际供电电流减小，进而影响点火能量释放。

3 结束语

半导体桥点火器的电热电爆作用机理是由半导体桥的电阻温度特性和相变特性决定的，其换能原理涉及到电能-热能转化、不同材质间的热传导等理论，工作过程十分复杂。单路半导体桥点火器工作时，电路上的器件较简单，受到的干扰少。多路半导体桥点火器并联使用时，由于支路上开关导通的不同步性，使各支路间电流会产生相互影响，后导通支路电流上升沿会引起先导通支路中的稳态电流出现瞬态下降，这是同一电源给多路半导体桥点火器供电时会出现电流后导通支路点火器发生故障的主要原因。在半导体桥发生相变过程中供电电流突然下降会使半导体桥相变过程部分或完全终止，由于此时半导体桥已经开始熔化或桥路电阻发生较大变化，导致此过程不可逆，即使后续电流恢复正常，也可能由于半导体桥的换能性能已经发生变化而无法释放等离子体激发起爆药，最终导致点火失效；此外，并联电路点火时，若各支路电流同步，但电流上升较慢，也会造成在半导体桥相变时能量供应不足，无法支撑电离状态的能量需要，可能会导致点火失败。因此，在进行多路并联半导体桥电路设计时，要通过使用MOS功率开关管等电子器件，保证各支路中电流持续、稳定，此外，还需关注供电上升速度，可以通过合理的电路设计，提高控制开关的响应速度来实现，从而保证各支路半导体桥点火器正常工作，确保点火器的可靠性。

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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 Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

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 researches 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 semiconductor 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 of 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.

semiconductor bridge igniters; multichannel parallel fire; characteristics of ignition current; electro-explosive ablation phenomena; explosive initiator

TJ450.1

A

1009-8518(2023)03-0145-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.015

景莉，女，1985年生，2010年获北京理工大学大学工程力学专业硕士学位，高级工程师。主要研究方向为航天火工技术。E-mail：Jingli0307@163.com。

2022-03-04

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 Semiconductor Bridges[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(3): 145-153. (in Chinese)

（编辑：庞冰）