基于PSpice 軟件的半導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南京理工大學化學與化工學院(江蘇南京，210094)

②安徽紅星機電科技股份有限公司(安徽合肥，231135)

③安徽軍工集團控股有限公司(安徽合肥，231135)

④陸軍裝備部駐合肥地區軍事代表室(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。 通常，在武器系統的生產、組裝、測試、存放和搬運等過程中，都有可能使靜電累積在人體或武器系統中。 當人體與武器系統中的帶電體接觸時，瞬間產生高電壓、大電流信號，就有可能使武器系統中的電火工品遭到靜電放電的沖擊而意外發火[1-2]。

火工品作為一種鈍感換能元，半導體橋(semiconductor bridge， SCB)具有小體積、低發火能量、高瞬發、高可靠性和高安全性等優點[3]，是未來取代橋絲式火工品的較佳選擇。 雖然半導體橋火工品本身已經具有較高的安全性，但是隨著電磁環境的日益惡化，半導體橋火工品面臨的靜電環境也越來越惡劣。 越來越多的學者將關注點放在半導體橋火工品的抗靜電環境能力研究[4]。 從研究現狀可知，將分立式防護器件集成入半導體橋火工品的結構中是一種較容易實現的抗靜電方式。 國內外學者使用了諸如齊納二極管、瞬態電壓抑制二極管[5]和壓敏電阻[6-7]等靜電加固器件對半導體橋火工品進行靜電加固。 但是，這些研究方法均基于試驗的方式來檢驗防護器件的有效性。 而防護器件的防護效果取決于靜電加固器件的各項參數。 由于靜電加固器件種類和規格繁多，導致實際試驗過程比較費時、費力。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計[8-12]。 一方面，可利用軟件來模擬不同的靜電環境；另一方面，由于防護器件的參數在電路軟件中可以任意更改，這方便了防護器件的參數選型。

本文中，基于PSpice 電路仿真軟件，搭建了電容放電發火裝置的等效電路模型。 研究了在PSpice仿真軟件中建立半導體橋火工品的電子器件模型。并基于電容放電發火仿真電路，模擬了半導體橋火工品的電爆特性曲線，通過與實際發火條件下的電爆曲線及試驗數據進行對比，證明了器件模型的有效性和準確性。 這為后續火工品的抗靜電設計提供了建模方法的參考。

1 電容放電發火測試電路的建立

電容放電發火是激勵半導體橋火工品發火的常用方式。 在建立半導體橋器件模型前，需要在PSpice 仿真軟件中搭建相應的電容放電發火裝置，用以模擬電容放電時的作用效果。 電容放電發火電路可以簡化為一個簡單的電阻-電容(R-C)電路，即充電至一定電壓的電容通過開關將電容上的能量施加到半導體橋火工品上，如圖1 所示。C1為已設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表示外接負載(即火工品)。 由于電容放電是個快速放電過程，因此，回路中電感和電阻的參數會對仿真的精確程度造成一定的影響。 加之在半導體橋電爆過程中，電阻變化較為復雜；所以，首先對放電電容和回路電感等參數進行測試，并在PSpice 仿真軟件中建立具有相應參數的等效電路圖。 隨后，在模擬電路中，采用1.0 Ω 標準電阻進行放電模擬，獲得模擬放電曲線。 最后，對比同等條件下的實際放電曲線和模擬放電曲線，從而驗證等效電路的準確性。

圖1 電容放電發火裝置原理圖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 純電阻負載后，整個電路放電時間約為80 μs。 根據歐姆定理，在理想條件下，當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，電阻上的峰值電流應為5、10、15 A 和20 A；但是實際測試結果顯示，峰值電流只有理論值的70%。 這是由于鉭電容放電時，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設置為0.62 μH，R2設置為3.3 mΩ，R1設置為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。 模擬結果和實際測試結果如圖3 所示。 圖3 中，實線為實際測試的電流曲線，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 時的實際測試曲線；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間幾乎一致。 因此，當前模擬電路基本能夠表現電容放電儀器的輸出性能。

圖3 電容放電模擬和試驗結果對比Fig.3 Comparison of simulation and test results of capacitor discharge

2 半導體橋器件的建模方法

作為電路仿真軟件，PSpice 軟件數據庫中涵蓋了很多常用電子器件的符號及對應模型，如電阻、電容和電感等。 在電路仿真過程中，只需調用相應的電子器件模型即可實現相應器件的電學特性仿真。但對于非標準元器件而言，一般無法在PSpice 軟件的數據庫內找到一個滿足相應電學特性的模型。 因此，常常需要使用者在PSpice 軟件中利用一定的建模方法，建立具有相應電學特性的元器件模型，從而實現非標元器件的仿真模擬。 對于半導體橋火工品這種非標元件而言，選擇采用自建子電路的形式來建立半導體橋的器件模型。

在建立半導體橋火工品的器件模型之前，首先對半導體橋爆發時的電爆特性曲線進行分析。 對于典型半導體橋，使用電容放電條件激勵半導體橋發火時，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，并不是半導體橋的真實電阻。 在多晶硅橋到達本征溫度之前，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。 當溫度達到本征溫度之后，由于半導體材料的特性，阻抗特性呈現負阻效應，電阻率隨著溫度的上升而下降。 因此，半導體橋爆發前，電阻呈現先增長、后降低的變化規律；爆發后，電阻迅速上升，直至兆歐級。 在半導體橋爆發的過程中，電學參數有電壓、電流、功率、電阻和能量等。 半導體橋爆發時橋區部分消耗的能量是個定值，與外界施加的能量關系不大。 因此，在上述參數中，選擇能量和電阻作為建模的基礎。 基于歐姆定律，半導體橋在電爆過程中的動態電阻可以用半導體橋電極及兩端電壓U與電流I的比值得到。 半導體橋上消耗的能量E可以用積分的方式計算出來，即

利用電爆過程，示波器采樣的電壓和電流數據進行計算，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優化設計。 基于Furnberg 等的思路，對于給定條件下的半導體橋火工品，采用該實測曲線的數據，就可以建立具有同樣R-E電學特性的半導體橋模型。

3 PSpice 軟件中半導體橋器件模型的建立

首先，設定22 μF/16 V 的典型電容放電發火條件。 基于該條件下示波器采樣得到的數據，計算出電爆過程中半導體橋電阻和能量的變化值，并建立電阻和能量的一一對應關系。 將R-E數據帶入半導體橋模型的子電路中，構造出元器件模型(MSCB)，并將元器件模型添加入圖5 所示的電容放電發火仿真電路中。 運行該電路，讀取半導體橋上的電壓和電流，并在Origin 中作圖，與實際電爆曲線對比。 對比結果如圖6 所示。

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

圖6 電爆曲線模擬和試驗結果對比Fig.6 Comparison of simulation and test results of electro-explosive curves

圖6 中，實線為實際測試的電爆曲線，虛線為模擬的電爆曲線。 首先，對比電壓曲線:在爆發點之前，兩條電壓曲線無論是時域還是值域上都基本吻合；僅在爆發點處存在差異，模擬電壓曲線尖峰低于實際電壓曲線，但是存在典型的雙峰特征。 對比電流曲線的模擬和實際結果可知，兩條曲線在爆發點前也基本吻合，爆發點后模擬電流衰減速度略低于實際情況。 上述差異源于半導體橋爆發瞬間的汽化作用，此時橋區阻抗迅速升高，電流迅速降低。 根據楞次定律，回路中的寄生電感阻礙電流迅速下降，并釋放能量；寄生電感產生的感應電壓迅速上升，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據，而是受電容放電測試裝置電感的影響較大。 同時，在建立器件模型時也對部分偏差較大的數據進行了剔除、平均。 這兩點共同造成模擬結果和實際結果的差異。

圖7 為模擬R-E曲線，可知模擬曲線也經歷了正溫升、負溫升、熔化、汽化和產生等離子體等階段。對半導體橋而言，爆發時間和爆發能量是其爆發性能的關鍵參數。 分別讀取模擬爆發時間和爆發能量，并和實際結果對比，如表1 所示。

表1 模擬和實際電爆參數的對比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)

半導體橋的爆發過程非常迅速，爆發時間和爆發能量一般為微秒量級和毫焦耳級。 研究顯示，實際測試和模擬的爆發時間和爆發能量的最大偏差可達20%[14-15]。 對比表1 結果可知，爆發時間偏差約為2.6%，爆發能量偏差約為0.3%，遠低于平均偏差。 為進一步驗證模型的偏差在合理范圍內，在22 μF/16 V 的同種電容放電條件下，測試了5 發樣品(編號為A1～A5)，5 發樣品的電壓、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體橋爆發前的一段時間基本重合，但是在爆發點前、后出現較大差異，且并不呈現特定規律。 圖9 中，5 發樣品R-E曲線的正溫升和負溫升階段基本重合，差異主要出現在熔化的后半程和汽化產生等離子體兩個階段。 這是源于半導體橋本身的差異。 半導體橋以重摻雜多晶硅橋區形成換能元，在加工過程中，即使工藝控制很嚴格，每個換能元芯片仍然會在摻雜濃度等方面存在差異。 這在宏觀上表現為每一個換能元芯片的電阻存在微小差異。 爆發時，這種天然存在的差異就會造成參數和曲線的偏差。 讀取5 個樣品的爆發時間和爆發能量，如表2 所示。 表2 中:t為爆發時間；E為爆發能量；σ、σ′分別為爆發時間和爆發能量的標準差。

表2 5 發樣品實際測試電爆特性參數Tab.2 Test electro-explosive characteristic parametens of the five samples

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

4 結論

1)在PSpice 仿真軟件中建立了電容放電發火仿真電路。 分析標準1.0 Ω 純電阻在22 μF 放電電容下的測試結果發現，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進行了仿真。 仿真結果表明，當回路電感為0.62 μH、回路電阻為3.3 mΩ 時，仿真得到的放電曲線與實際測試結果最為吻合。

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

3)采用上述方法建立的半導體橋器件模型可用于半導體橋的電磁兼容性設計中。 一方面，可用于預測電容放電發火條件下防護器件參數對電爆性能造成的影響規律；另一方面，也可以用于預測靜電條件下不同防護器件的靜電加固效果。 基于仿真軟件強大的計算能力，能夠快速獲取器件的最佳參數，并為后續抗靜電設計提供參考。