基于PSpice 軟件的半導(dǎo)體橋換能元電爆特性的模擬仿真?

袁玉紅 張 勝 韓保良 周 彬 黃寅生

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司(安徽合肥，231135)

③安徽軍工集團(tuán)控股有限公司(安徽合肥，231135)

④陸軍裝備部駐合肥地區(qū)軍事代表室(安徽合肥，231135)

0 引言

作為影響電火工品安全性的主要因素之一，靜電存在于電火工品的全壽命周期內(nèi)。 通常，在武器系統(tǒng)的生產(chǎn)、組裝、測試、存放和搬運(yùn)等過程中，都有可能使靜電累積在人體或武器系統(tǒng)中。 當(dāng)人體與武器系統(tǒng)中的帶電體接觸時(shí)，瞬間產(chǎn)生高電壓、大電流信號，就有可能使武器系統(tǒng)中的電火工品遭到靜電放電的沖擊而意外發(fā)火[1-2]。

火工品作為一種鈍感換能元，半導(dǎo)體橋(semiconductor bridge， SCB)具有小體積、低發(fā)火能量、高瞬發(fā)、高可靠性和高安全性等優(yōu)點(diǎn)[3]，是未來取代橋絲式火工品的較佳選擇。 雖然半導(dǎo)體橋火工品本身已經(jīng)具有較高的安全性，但是隨著電磁環(huán)境的日益惡化，半導(dǎo)體橋火工品面臨的靜電環(huán)境也越來越惡劣。 越來越多的學(xué)者將關(guān)注點(diǎn)放在半導(dǎo)體橋火工品的抗靜電環(huán)境能力研究[4]。 從研究現(xiàn)狀可知，將分立式防護(hù)器件集成入半導(dǎo)體橋火工品的結(jié)構(gòu)中是一種較容易實(shí)現(xiàn)的抗靜電方式。 國內(nèi)外學(xué)者使用了諸如齊納二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管[5]和壓敏電阻[6-7]等靜電加固器件對半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行靜電加固。 但是，這些研究方法均基于試驗(yàn)的方式來檢驗(yàn)防護(hù)器件的有效性。 而防護(hù)器件的防護(hù)效果取決于靜電加固器件的各項(xiàng)參數(shù)。 由于靜電加固器件種類和規(guī)格繁多，導(dǎo)致實(shí)際試驗(yàn)過程比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。因此，有研究者提出，將電路仿真軟件用于電火工品的靜電損傷研究和抗靜電設(shè)計(jì)[8-12]。 一方面，可利用軟件來模擬不同的靜電環(huán)境；另一方面，由于防護(hù)器件的參數(shù)在電路軟件中可以任意更改，這方便了防護(hù)器件的參數(shù)選型。

本文中，基于PSpice 電路仿真軟件，搭建了電容放電發(fā)火裝置的等效電路模型。 研究了在PSpice仿真軟件中建立半導(dǎo)體橋火工品的電子器件模型。并基于電容放電發(fā)火仿真電路，模擬了半導(dǎo)體橋火工品的電爆特性曲線，通過與實(shí)際發(fā)火條件下的電爆曲線及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證明了器件模型的有效性和準(zhǔn)確性。 這為后續(xù)火工品的抗靜電設(shè)計(jì)提供了建模方法的參考。

1 電容放電發(fā)火測試電路的建立

電容放電發(fā)火是激勵半導(dǎo)體橋火工品發(fā)火的常用方式。 在建立半導(dǎo)體橋器件模型前，需要在PSpice 仿真軟件中搭建相應(yīng)的電容放電發(fā)火裝置，用以模擬電容放電時(shí)的作用效果。 電容放電發(fā)火電路可以簡化為一個(gè)簡單的電阻-電容(R-C)電路，即充電至一定電壓的電容通過開關(guān)將電容上的能量施加到半導(dǎo)體橋火工品上，如圖1 所示。C1為已設(shè)定初始電壓的放電電容；回路中的損耗包括電感L1和線路電阻R2；R1表示外接負(fù)載(即火工品)。 由于電容放電是個(gè)快速放電過程，因此，回路中電感和電阻的參數(shù)會對仿真的精確程度造成一定的影響。 加之在半導(dǎo)體橋電爆過程中，電阻變化較為復(fù)雜；所以，首先對放電電容和回路電感等參數(shù)進(jìn)行測試，并在PSpice 仿真軟件中建立具有相應(yīng)參數(shù)的等效電路圖。 隨后，在模擬電路中，采用1.0 Ω 標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行放電模擬，獲得模擬放電曲線。 最后，對比同等條件下的實(shí)際放電曲線和模擬放電曲線，從而驗(yàn)證等效電路的準(zhǔn)確性。

圖1 電容放電發(fā)火裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of capacitor discharge and ignition device

首先，對電容放電儀及其回路電纜進(jìn)行測試。采用22 μF 鉭電容，充電電壓分別為5、10、15 V 和20 V，儀器輸出端接1.0 Ω 純電阻，測試放電過程中1.0 Ω 純電阻兩端的電壓和電流變化曲線。 回路電流測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 1.0 Ω 電阻在不同放電條件下的電流曲線Fig.2 Current curves of 1.0 Ω resistor under different discharge conditions

由圖2 可知，輸出端接1.0 Ω 純電阻負(fù)載后，整個(gè)電路放電時(shí)間約為80 μs。 根據(jù)歐姆定理，在理想條件下，當(dāng)電容兩端的放電電壓為5、10、15 V 和20 V 且外接1.0 Ω 純電阻時(shí)，電阻上的峰值電流應(yīng)為5、10、15 A 和20 A；但是實(shí)際測試結(jié)果顯示，峰值電流只有理論值的70%。 這是由于鉭電容放電時(shí)，能量除了被1.0 Ω 純電阻吸收外，部分能量還消耗在電路的接觸電阻和電纜電阻上。

采用安捷倫34410A 數(shù)字萬用表測得回路電纜的電阻約為3.3 mΩ，采用LCR 測試儀測得回路和鉭電容的總電感為0.62 μH。 因此，將圖1 中的L1設(shè)置為0.62 μH，R2設(shè)置為3.3 mΩ，R1設(shè)置為1.0 Ω，模擬得到該電路圖在上述同種電壓條件下回路的電流曲線。 模擬結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果如圖3 所示。 圖3 中，實(shí)線為實(shí)際測試的電流曲線，虛線為模擬的電流曲線。 例如:5V-exp 代表電容放電電壓為5 V 時(shí)的實(shí)際測試曲線；5V-sim 表示同種情況下的模擬曲線。 對比模擬曲線和實(shí)際測試曲線可知，兩種曲線基本吻合，峰值電流及電流上升時(shí)間幾乎一致。 因此，當(dāng)前模擬電路基本能夠表現(xiàn)電容放電儀器的輸出性能。

圖3 電容放電模擬和試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Comparison of simulation and test results of capacitor discharge

2 半導(dǎo)體橋器件的建模方法

作為電路仿真軟件，PSpice 軟件數(shù)據(jù)庫中涵蓋了很多常用電子器件的符號及對應(yīng)模型，如電阻、電容和電感等。 在電路仿真過程中，只需調(diào)用相應(yīng)的電子器件模型即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)器件的電學(xué)特性仿真。但對于非標(biāo)準(zhǔn)元器件而言，一般無法在PSpice 軟件的數(shù)據(jù)庫內(nèi)找到一個(gè)滿足相應(yīng)電學(xué)特性的模型。 因此，常常需要使用者在PSpice 軟件中利用一定的建模方法，建立具有相應(yīng)電學(xué)特性的元器件模型，從而實(shí)現(xiàn)非標(biāo)元器件的仿真模擬。 對于半導(dǎo)體橋火工品這種非標(biāo)元件而言，選擇采用自建子電路的形式來建立半導(dǎo)體橋的器件模型。

在建立半導(dǎo)體橋火工品的器件模型之前，首先對半導(dǎo)體橋爆發(fā)時(shí)的電爆特性曲線進(jìn)行分析。 對于典型半導(dǎo)體橋，使用電容放電條件激勵半導(dǎo)體橋發(fā)火時(shí)，電阻在初始階段波動很劇烈。 這是由于放電瞬間儀器及線路中電感的影響，并不是半導(dǎo)體橋的真實(shí)電阻。 在多晶硅橋到達(dá)本征溫度之前，電阻特性為正溫升，隨著多晶硅溫度的上升，電阻率也不斷上升。 當(dāng)溫度達(dá)到本征溫度之后，由于半導(dǎo)體材料的特性，阻抗特性呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，電阻率隨著溫度的上升而下降。 因此，半導(dǎo)體橋爆發(fā)前，電阻呈現(xiàn)先增長、后降低的變化規(guī)律；爆發(fā)后，電阻迅速上升，直至兆歐級。 在半導(dǎo)體橋爆發(fā)的過程中，電學(xué)參數(shù)有電壓、電流、功率、電阻和能量等。 半導(dǎo)體橋爆發(fā)時(shí)橋區(qū)部分消耗的能量是個(gè)定值，與外界施加的能量關(guān)系不大。 因此，在上述參數(shù)中，選擇能量和電阻作為建模的基礎(chǔ)。 基于歐姆定律，半導(dǎo)體橋在電爆過程中的動態(tài)電阻可以用半導(dǎo)體橋電極及兩端電壓U與電流I的比值得到。 半導(dǎo)體橋上消耗的能量E可以用積分的方式計(jì)算出來，即

利用電爆過程，示波器采樣的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到一條電阻隨能量變化的曲線，如圖4 所示。

圖4 半導(dǎo)體橋電爆過程R-E 的變化曲線Fig.4 R-E curve during electro-explosive process of the semiconductor bridge

Furnberg 等[13]采用阻抗-能量曲線構(gòu)建了爆炸橋絲和爆炸箔換能元的器件模型，并成功用于換能元的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 基于Furnberg 等的思路，對于給定條件下的半導(dǎo)體橋火工品，采用該實(shí)測曲線的數(shù)據(jù)，就可以建立具有同樣R-E電學(xué)特性的半導(dǎo)體橋模型。

3 PSpice 軟件中半導(dǎo)體橋器件模型的建立

首先，設(shè)定22 μF/16 V 的典型電容放電發(fā)火條件。 基于該條件下示波器采樣得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電爆過程中半導(dǎo)體橋電阻和能量的變化值，并建立電阻和能量的一一對應(yīng)關(guān)系。 將R-E數(shù)據(jù)帶入半導(dǎo)體橋模型的子電路中，構(gòu)造出元器件模型(MSCB)，并將元器件模型添加入圖5 所示的電容放電發(fā)火仿真電路中。 運(yùn)行該電路，讀取半導(dǎo)體橋上的電壓和電流，并在Origin 中作圖，與實(shí)際電爆曲線對比。 對比結(jié)果如圖6 所示。

圖5 電容放電發(fā)火仿真電路Fig.5 Simulation circuit for capacitor discharge and ignition

圖6 電爆曲線模擬和試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.6 Comparison of simulation and test results of electro-explosive curves

圖6 中，實(shí)線為實(shí)際測試的電爆曲線，虛線為模擬的電爆曲線。 首先，對比電壓曲線:在爆發(fā)點(diǎn)之前，兩條電壓曲線無論是時(shí)域還是值域上都基本吻合；僅在爆發(fā)點(diǎn)處存在差異，模擬電壓曲線尖峰低于實(shí)際電壓曲線，但是存在典型的雙峰特征。 對比電流曲線的模擬和實(shí)際結(jié)果可知，兩條曲線在爆發(fā)點(diǎn)前也基本吻合，爆發(fā)點(diǎn)后模擬電流衰減速度略低于實(shí)際情況。 上述差異源于半導(dǎo)體橋爆發(fā)瞬間的汽化作用，此時(shí)橋區(qū)阻抗迅速升高，電流迅速降低。 根據(jù)楞次定律，回路中的寄生電感阻礙電流迅速下降，并釋放能量；寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓迅速上升，并超過電容初始放電電壓。 因此，峰值電壓的大小不取決于模型數(shù)據(jù)，而是受電容放電測試裝置電感的影響較大。 同時(shí)，在建立器件模型時(shí)也對部分偏差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除、平均。 這兩點(diǎn)共同造成模擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的差異。

圖7 為模擬R-E曲線，可知模擬曲線也經(jīng)歷了正溫升、負(fù)溫升、熔化、汽化和產(chǎn)生等離子體等階段。對半導(dǎo)體橋而言，爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量是其爆發(fā)性能的關(guān)鍵參數(shù)。 分別讀取模擬爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量，并和實(shí)際結(jié)果對比，如表1 所示。

表1 模擬和實(shí)際電爆參數(shù)的對比Tab.1 Comparison of simulated and actual electro-explosive parameters

圖7 模擬R-E 曲線(22 μF/16 V)Fig.7 Simulated R-E curve (22 μF/16 V)

半導(dǎo)體橋的爆發(fā)過程非常迅速，爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量一般為微秒量級和毫焦耳級。 研究顯示，實(shí)際測試和模擬的爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量的最大偏差可達(dá)20%[14-15]。 對比表1 結(jié)果可知，爆發(fā)時(shí)間偏差約為2.6%，爆發(fā)能量偏差約為0.3%，遠(yuǎn)低于平均偏差。 為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的偏差在合理范圍內(nèi)，在22 μF/16 V 的同種電容放電條件下，測試了5 發(fā)樣品(編號為A1～A5)，5 發(fā)樣品的電壓、電流及R-E變化曲線如圖8 和圖9 所示。

圖8 5 發(fā)樣品電壓和電流的變化Fig.8 Changes in voltage and current of the five samples

圖9 5 發(fā)樣品的R-E 曲線Fig.9 R-E curves of the five samples

從圖8和圖9可知，對于同一批樣品而言，電壓和電流曲線在半導(dǎo)體橋爆發(fā)前的一段時(shí)間基本重合，但是在爆發(fā)點(diǎn)前、后出現(xiàn)較大差異，且并不呈現(xiàn)特定規(guī)律。 圖9 中，5 發(fā)樣品R-E曲線的正溫升和負(fù)溫升階段基本重合，差異主要出現(xiàn)在熔化的后半程和汽化產(chǎn)生等離子體兩個(gè)階段。 這是源于半導(dǎo)體橋本身的差異。 半導(dǎo)體橋以重?fù)诫s多晶硅橋區(qū)形成換能元，在加工過程中，即使工藝控制很嚴(yán)格，每個(gè)換能元芯片仍然會在摻雜濃度等方面存在差異。 這在宏觀上表現(xiàn)為每一個(gè)換能元芯片的電阻存在微小差異。 爆發(fā)時(shí)，這種天然存在的差異就會造成參數(shù)和曲線的偏差。 讀取5 個(gè)樣品的爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量，如表2 所示。 表2 中:t為爆發(fā)時(shí)間；E為爆發(fā)能量；σ、σ′分別為爆發(fā)時(shí)間和爆發(fā)能量的標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 5 發(fā)樣品實(shí)際測試電爆特性參數(shù)Tab.2 Test electro-explosive characteristic parametens of the five samples

從表2 中數(shù)據(jù)可知，即使對于性能非常一致的半導(dǎo)體橋換能元，電爆特性參數(shù)也不完全相同。 爆發(fā)時(shí)間的3σ區(qū)間為[5.066，7.874] μs，和平均值比較，最大偏差為11%；爆發(fā)能量的3σ′區(qū)間為[0.462，0.690] mJ，和平均能量比較，最大偏差為11%。 將上述參數(shù)與模擬結(jié)果對比，模擬結(jié)果均處于上述區(qū)間內(nèi)，且偏差遠(yuǎn)低于正常偏差，證明了仿真結(jié)果的合理性。 因此，可以判定采用上述方法創(chuàng)建半導(dǎo)體橋PSpice 電子器件模型的方法是可行的，且和實(shí)際情況吻合，精度較高。

4 結(jié)論

1)在PSpice 仿真軟件中建立了電容放電發(fā)火仿真電路。 分析標(biāo)準(zhǔn)1.0 Ω 純電阻在22 μF 放電電容下的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電容放電電路中影響較大的因素為回路電感和回路電阻。 對回路電感和回路電阻的參數(shù)進(jìn)行了仿真。 仿真結(jié)果表明，當(dāng)回路電感為0.62 μH、回路電阻為3.3 mΩ 時(shí)，仿真得到的放電曲線與實(shí)際測試結(jié)果最為吻合。

2)基于PSpice 軟件中子電路建模的方法，首先建立了半導(dǎo)體橋在定電容放電條件下的器件模型，并帶入電容放電發(fā)火仿真電路中。 將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，采用該方法建立的半導(dǎo)體橋器件模型具有較高的準(zhǔn)確性，能夠有效仿真出半導(dǎo)體橋爆發(fā)前的電爆特性曲線。

3)采用上述方法建立的半導(dǎo)體橋器件模型可用于半導(dǎo)體橋的電磁兼容性設(shè)計(jì)中。 一方面，可用于預(yù)測電容放電發(fā)火條件下防護(hù)器件參數(shù)對電爆性能造成的影響規(guī)律；另一方面，也可以用于預(yù)測靜電條件下不同防護(hù)器件的靜電加固效果。 基于仿真軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠快速獲取器件的最佳參數(shù)，并為后續(xù)抗靜電設(shè)計(jì)提供參考。