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聚四氟乙烯薄膜在納秒脈沖下的擊穿特性

2017/5/26 14:19:49??????點擊:
  聚四氟乙烯薄膜由于具有優良的介電、機械和熱等性能,在絕緣領域應用廣泛,其在直接、工頻交流 和雷電沖擊脈沖等常規條件下的擊穿特性已經得到深入研究。隨著脈沖功率技術的發展,納秒脈沖下的 擊穿特性研究受到了國內外研究人員的廣泛關注。近年來單次高壓納秒脈沖及低重復頻率的脈沖電源較 常見,因此目前納秒脈沖下聚四氟乙烯薄膜擊穿特性的研究主要幾種在單詞納秒脈沖。重復頻率條件下 氣體間隙的擊穿與單詞脈沖下的不同,擊穿不發生在施加第一個脈沖時,而是經過幾個、幾十個或更多 的脈沖后才發生,擊穿需要承受一定的重復頻率耐受時間,目前對重復頻率快脈沖作用下聚四氟乙烯薄膜絕緣特性的實驗數據較少。隨著開關器件的革新,kHz量級的重復頻率納秒脈沖電源也逐漸出現,為探 索高重復頻率納秒脈沖聚四氟乙烯薄膜的擊穿特性提供了可能。


  實驗裝置及測量


  實驗裝置電氣電源采用輸出電壓范圍為0~300kV的重復頻率納秒脈沖電源SPG2000N,脈沖上升時間約 15ns,脈寬30~40ns,重復頻率1~1000Hz,輸出平均功率13kW,其開啟、關停及重復頻率的調節均通過觸 發脈沖控制器控制。實驗中聚四氟乙烯薄膜試品擊穿后,通過關斷保護電路以輸出給觸發脈沖控制器關 斷信號來實現SPG2000N的關停。WR204Xi數字存儲示波器(帶寬2GHz,采樣率10GS/s)用來記錄擊穿電壓 和電流波形。TDS220示波器(帶寬100MHz,采樣率1GS/s)用來測量重復頻率耐受時間。兩根10cm長的雙 層同軸電纜連接示波器和存儲數據用的計算機。實驗時觸發脈沖控制器、示波器、關斷保護電路和計算 機均放置在屏蔽室內。實驗中采用半球(R10)-板電極系統進行測量,聚四氟乙烯薄膜浸泡在變壓器油 中。


  實驗時擊穿電壓通過附著在SPG2000N輸出處的耦合式電容分壓器測量,分壓比約為10000.擊穿電流通 過自積分羅氏線圈測量,其變比約為35mV/A。除了擊穿后自動關停電源設備,關斷保護電路還將用來測 量聚四氟乙烯PTFE的重復頻率耐受時間。測量原理如下:當觸發脈沖控制器輸出脈沖啟動SPG2000N時, TDS220示波器的通道1開始同時記錄輸出的脈沖。當一系列脈沖施加到聚四氟乙烯PTFE導致擊穿后,擊穿 電壓和電流信號觸發WR204Xi示波器,產生一個脈寬20ms觸發反饋信號,由TDS220世博的通道2記錄,此 時TDS220示波器兩個通道信號的時間差即為實測的重復頻率耐受時間,測量系統從發出導致擊穿的脈沖 控制信號到示波器產生反饋信號需22μs。


  結論


  通過對重復頻率納秒脈沖下聚四氟乙烯PTFE薄膜的擊穿特性的實驗研究,測量并計算了電壓電流及重 復頻率耐受時間等參數,結果表明重復頻率納秒脈沖下聚四氟乙烯薄膜的擊穿場強為MV/cm量級。重復頻 率耐受時間在ms量級,表明了除了本征和電子崩擊穿模式以外,重復頻率納秒脈沖下熱積累效應也是一 種重要的擊穿模式,同樣材料本身結構的缺陷也會促進聚四氟乙烯薄膜擊穿過程。研究了重復頻率和施 加場強對重復頻率耐受時間和施加脈沖個數的影響,結果表明重復頻率耐受時間隨施加場強和重復頻率 的增加而非線性減小,而施加脈沖個數隨施加場強的增加而非線性減少,但隨重復頻率的增加先增加后 趨于飽和或減少。此外,聚四氟乙烯薄膜本身性質及油浸時間使實驗數據具有分散性。


  
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