固體擊穿
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓comsol 創(chuàng)建時間：2019-09-11
固體擊穿的實例教程
</p><p> 固體電介質(zhì)的化學(xué)變化通常使其電導(dǎo)增加，這會使固體電介質(zhì)的溫度上升，因而電化學(xué)擊穿的最終形式是熱擊穿。</p><p> 影響因素 影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素有：電場的不均勻程度，作用電壓的種類及施加的時間，溫度，固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)，電壓作用次數(shù)，機(jī)械負(fù)荷，受潮等。</p><p> ①電場的不均勻程度：均勻、致密的固體電介質(zhì)在均勻電場中的擊穿場強(qiáng)可達(dá)1～10MV/cm。擊穿場強(qiáng)決定于物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與外界因素的關(guān)系較小。當(dāng)電介質(zhì)厚度增加時，由于電介質(zhì)本身的不均勻性，擊穿場強(qiáng)會下降。當(dāng)厚度極小時 (-3～10-4cm)，擊穿場強(qiáng)又會增加。電場越不均勻，擊穿場強(qiáng)下降越多。電場局部加強(qiáng)處容易產(chǎn)生局部放電，在局部放電的長時間作用下，固體電介質(zhì)將產(chǎn)生化學(xué)擊穿。</p><p> ②作用電壓時間、種類：固體電介質(zhì)的三種擊穿形式與電壓作用時間有密切關(guān)系 （圖3）。同一種固體電介質(zhì)，在相同電場分布下，其雷電沖擊擊穿電壓通常大于工頻擊穿電壓，且直流擊穿電壓也大于工頻擊穿電壓。交流電壓頻率增高時，由于局部放電更強(qiáng)，<a href="https://baike.baidu.com/item/%E4%BB%8B%E8%B4%A8%E6%8D%9F%E8%80%97" rel="noopener noreferrer" target="_blank">介質(zhì)損耗</a>更大，發(fā)熱嚴(yán)重，更易發(fā)生熱擊穿或?qū)е禄瘜W(xué)擊穿提前到來。</p><p> ③溫度：當(dāng)溫度較低，處于電擊穿范圍內(nèi)時，固體電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)與溫度基本無關(guān)。當(dāng)溫度稍高，固體電介質(zhì)可能發(fā)生熱擊穿。周圍溫度越高，散熱條件越差，熱擊穿電壓就越低。</p><p> ④固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)：工程用固體電介質(zhì)往往不很均勻、致密，其中的氣孔或其他缺陷會使電場畸變，損害固體電介質(zhì)。電介質(zhì)厚度過大，會使電場分布不均勻，散熱不易，降低擊穿場強(qiáng)。
展開 這些粒子沉積的電荷會產(chǎn)生可導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的電場。通過對電荷沉積速率和幅度進(jìn)行建模，工程師可以改進(jìn)他們的輻射硬化設(shè)計、估計 ESD 風(fēng)險并模擬電子設(shè)備上的感應(yīng)電流。
在帶電粒子的能量高到足以導(dǎo)致深度電介質(zhì)充電的等離子體環(huán)境中，EMC 工程師必須關(guān)注敏感組件（例如太陽能電池、傳感器和裸露的電纜或連接器）內(nèi)電荷積累的風(fēng)險。為了評估電介質(zhì)中的 ESD 風(fēng)險，EMA3D Charge 將 3D 粒子傳輸工具與在時域中求解的電磁學(xué)全波有限元法 (FEM) 解決方案相結(jié)合。通過這種方法，工程師可以監(jiān)測粒子與散裝材料相互作用引起的電勢、電場、電荷和電流。粒子可以入射到各種幾何配置上，它們的能譜可以是時間相關(guān)的，并且可以一次模擬多種類型的粒子。為了解決作為示例提供的應(yīng)用程序，EMA3D Charge 改進(jìn)了網(wǎng)格算法（例如擠壓），以確保在模擬大量薄層或具有復(fù)雜屏蔽設(shè)計的長電纜時具有適當(dāng)?shù)谋Ｕ娑取Ｐ枰獙?1-mil厚層中的電場進(jìn)行高分辨率模擬，以隔離存在 ESD 風(fēng)險的關(guān)鍵區(qū)域。
固體介質(zhì)擊穿
圖 6：連接到地平面的金屬鉚釘放置在玻璃電介質(zhì)中。高能電子沉積在玻璃的頂部，圖像電荷在鉚釘?shù)募舛朔e聚。產(chǎn)生的場強(qiáng)到足以擊穿玻璃。
如果系統(tǒng)中電荷過多，則產(chǎn)生的電場將超過介質(zhì)的擊穿閾值。從航天器到等離子體，從一個導(dǎo)體到另一個導(dǎo)體穿過等離子體、空氣或直接在電介質(zhì)/絕緣體內(nèi)部發(fā)生放電。更糟糕的是，如果航天器接地不良，這些放電會導(dǎo)致二次電弧，并可能發(fā)生類似于 ADEOS-II 的情況。此外，ESD 會發(fā)出電磁輻射，這可能會損壞通信系統(tǒng)。例如，連接到敏感電子設(shè)備的電纜中積累的過多電荷可能會產(chǎn)生電流，從而損壞儀器。在某些情況下，由于設(shè)計限制，您將不得不接受航天器中最少量的初級電弧。
展開 根據(jù)O'Dwyer提出固體介質(zhì)的擊穿理論，固體內(nèi)的載流子（如，陰極注入的電子）在電場加速下與大分子鏈或其它雜質(zhì)發(fā)生碰撞電離（collision ionization,），會產(chǎn)生大量離子化的電荷（如正電荷）。這些離子化的電荷會增強(qiáng)電場（如正電荷會增強(qiáng)陰極附近的電場），進(jìn)一步造成載流子注入或碰撞電離，導(dǎo)致電介質(zhì)中的電導(dǎo)急速增加，引發(fā)擊穿。局域化的負(fù)電荷對注入的電子有排斥作用，從而可抑制或減弱碰撞電離的產(chǎn)生。通過密度泛函理論分析，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)氨基與BNNS中的硼原子之間具有強(qiáng)烈的化學(xué)吸附作用，且硼原子上的電子云向氨基方向富集，因而在BNNS表面吸附氨基可形成電子屏障層。
圖1 材料合成及密度泛函理論分析。無基質(zhì)納米復(fù)合電介質(zhì)的制備過程(a)；共混物P(VDF-TrFE-CFE)/BNNS (b)、無基質(zhì)納米復(fù)合電介質(zhì)P(VDF-TrFE-CFE)-g-PME-NH2-BNNS (c)和P(VDF-TrFE-CFE)-g-PME-NH2-BNNS-epoxy (d)的自旋極化計算，BE為結(jié)合能，d為聚合物鏈與BNNS間距，Δq為電荷轉(zhuǎn)移量；BNNS表面電子斥電子層（黃色）對電子的阻擋效應(yīng)的示意圖(e)。
通過拉伸電介質(zhì)薄膜，實現(xiàn)復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部的BNNS向拉伸方向取向， BNNS平均夾角從36.9o減小到9.9o，機(jī)械模量從2.6增加到6.2 GPa，導(dǎo)熱率從1.7增加到2.4 W m-1K-1。化學(xué)吸附鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合能，拉伸后材料沒有出現(xiàn)明顯的缺陷，這是拉伸能提高機(jī)械模量和導(dǎo)熱率的主要原因之一。
圖2 薄膜制備及形貌分析。
展開 在強(qiáng)電作用下，絕緣物質(zhì)可能被擊穿而喪失其絕緣性能。氣體絕緣物質(zhì)與液體絕緣物質(zhì)被擊穿后，一旦去掉外界因素（強(qiáng)電場）后即可自行恢復(fù)其應(yīng)有的電氣絕緣性能；而固體絕緣物質(zhì)被擊穿后則不可逆地完全喪失了其電氣絕緣性能。因此電氣線路與設(shè)備的絕緣選擇必須與電壓等級相配合，而且須與使用環(huán)境及運行條件相適應(yīng)，以保證絕緣的安全作用。
光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。
光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。
光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時間只有10μs左右，適于對回應(yīng)速度要求很高的場合。
推薦一款由工采網(wǎng)代理的來自臺灣美祿的光耦合器，光耦 - MPC101X,MPC101X系列結(jié)合了砷化鋁鎵紅外發(fā)射二極管作為發(fā)射極，該發(fā)射極管光學(xué)耦合到塑料LSOP4封裝中的硅平面光電晶體管探測器，具有不同的鉛形成選項。MPC101X系列具有堅固的共面雙模子結(jié)構(gòu)，具有最穩(wěn)定的隔離特性。
光耦合器屬光電器件中之一環(huán)，系一發(fā)光及受光元件的組合體，借由光的傳輸達(dá)到導(dǎo)通的要求，為一理想的絕緣體，因此在許多電子電器產(chǎn)品上，皆采用此器件作為【高壓隔離】用途。發(fā)光器件通常為發(fā)光二極體，受光器件通常在低階產(chǎn)品為光二級管/光三級管/光晶閘管，高階產(chǎn)品為光耦合積體電路。
展開 局部放電對絕緣的影響，一是放電質(zhì)點對絕緣的直接轟擊造成局部絕緣破壞，逐步發(fā)展使絕緣擊穿；二是絕緣內(nèi)部的局部放電雖然不形成貫穿性通道，但放電產(chǎn)生的熱，使介質(zhì)出現(xiàn)局部的溫度升高，甚至碳化。由于放電的電解作用，會產(chǎn)生臭氧、一氧化氮等一些活性氣體，使局部絕緣受到腐蝕，逐漸造成絕緣的損傷，最后導(dǎo)致熱擊穿。通常，電氣絕緣的破壞或局部老化，多是從局部放電開始的，所以，局部放電的危害性是使變壓器絕緣壽命降低，影響變壓器的安全運行。
2 什么是局部放電
對于變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中，可能存在著一些絕緣弱點，它在一定的外施電壓作用下會首先發(fā)生放電，但并不隨即形成整個絕緣貫穿性擊穿。這種只限于絕緣局部位置（弱點）處的放電就叫局部放電。
局部放電試驗的目的：就是考核變壓器在長期工作電壓作用下，其產(chǎn)品絕緣能否長期安全運行的性能，發(fā)現(xiàn)變壓器結(jié)構(gòu)和制造工藝的缺陷。如：
（1）絕緣結(jié)構(gòu)中局部電場強(qiáng)度過高，可能是局部絕緣（如油隙或固體絕緣）擊穿或沿固體絕緣表面放電；
（2）絕緣混入雜質(zhì)或局部帶有缺陷；如絕緣紙筒、層壓紙板、層壓木板等，由于熱壓干燥工藝處理不好，就會在其內(nèi)部形成空腔，當(dāng)浸油以后，變壓器油往往不能浸入此空腔，從而形成了氣穴。如果浸入的變壓器油處理不好時，油中會有氣泡存在，同時存在著水分和雜質(zhì)，在電場的作用下，雜質(zhì)會形成“小橋“，泄漏電流的通過會使該處發(fā)熱嚴(yán)重，促使水分汽化，形成氣泡；同時也會使該處的油發(fā)生分解產(chǎn)生氣體。絕緣內(nèi)部存在的這些氣穴（氣泡），其介電常數(shù)比絕緣材料的介電常數(shù)要小，所以氣穴上承受的電場強(qiáng)度比鄰近的絕緣材料上的電場強(qiáng)度要高。氣體（特別是空氣）的絕緣強(qiáng)度卻比絕緣材料低。
展開 
固體擊穿的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
固體擊穿的最新內(nèi)容
固體介質(zhì)擊穿
圖 6：連接到地平面的金屬鉚釘放置在玻璃電介質(zhì)中。高能電子沉積在玻璃的頂部，圖像電荷在鉚釘?shù)募舛朔e聚。產(chǎn)生的場強(qiáng)到足以擊穿玻璃。
如果系統(tǒng)中電荷過多，則產(chǎn)生的電場將超過介質(zhì)的擊穿閾值。從航天器到等離子體，從一個導(dǎo)體到另一個導(dǎo)體穿過等離子體、空氣或直接在電介質(zhì)/絕緣體內(nèi)部發(fā)生放電。
氣體絕緣物質(zhì)與液體絕緣物質(zhì)被擊穿后，一旦去掉外界因素（強(qiáng)電場）后即可自行恢復(fù)其應(yīng)有的電氣絕緣性能；而固體絕緣物質(zhì)被擊穿后則不可逆地完全喪失了其電氣絕緣性能。因此電氣線路與設(shè)備的絕緣選擇必須與電壓等級相配合，而且須與使用環(huán)境及運行條件相適應(yīng)，以保證絕緣的安全作用。
光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。
比如：
（1）絕緣結(jié)構(gòu)中局部電場強(qiáng)度過高，可能是局部絕緣（如油隙或固體絕緣）擊穿或沿固體絕緣表面放電；
（2）絕緣混入雜質(zhì)或局部帶有缺陷；如絕緣紙筒、層壓紙板、層壓木板等，由于熱壓干燥工藝處理不好，就會在其內(nèi)部形成空腔，當(dāng)浸油以后，變壓器油往往不能浸入此空腔，從而形成了氣穴。
根據(jù)O'Dwyer提出固體介質(zhì)的擊穿理論，固體內(nèi)的載流子（如，陰極注入的電子）在電場加速下與大分子鏈或其它雜質(zhì)發(fā)生碰撞電離（collision ionization,），會產(chǎn)生大量離子化的電荷（如正電荷）。這些離子化的電荷會增強(qiáng)電場（如正電荷會增強(qiáng)陰極附近的電場），進(jìn)一步造成載流子注入或碰撞電離，導(dǎo)致電介質(zhì)中的電導(dǎo)急速增加，引發(fā)擊穿。
如：
（1）絕緣結(jié)構(gòu)中局部電場強(qiáng)度過高，可能是局部絕緣（如油隙或固體絕緣）擊穿或沿固體絕緣表面放電；
（2）絕緣混入雜質(zhì)或局部帶有缺陷；如絕緣紙筒、層壓紙板、層壓木板等，由于熱壓干燥工藝處理不好，就會在其內(nèi)部形成空腔，當(dāng)浸油以后，變壓器油往往不能浸入此空腔，從而形成了氣穴。
脆性固體電介質(zhì)擊穿時，常發(fā)生材料的碎裂，故可用擊穿效應(yīng)來破碎非金屬礦石等。
