非接觸式靜電放電波形分析及試驗(yàn)

趙 丹 吳桂林 朱繼芳 黃 昀

(1.四川航天計(jì)量測(cè)試研究所，四川成都 610100；2.四川航天技術(shù)研究院，四川成都 610100)

1 引 言

靜電放電作為一種常見(jiàn)的近場(chǎng)危害源，在其放電過(guò)程中可形成瞬時(shí)高電壓和瞬時(shí)大電流，使得器件的安全性能大大下降，并影響半導(dǎo)體器件的電學(xué)特性[1,2]。在工業(yè)制造和航天領(lǐng)域等方面，產(chǎn)生靜電放電不僅會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)和相關(guān)電氣設(shè)備造成損害，而且電氣化設(shè)備以及人體間的高電壓，容易產(chǎn)生火花放電，會(huì)對(duì)人體的安全造成威脅。特別是在火工品制造領(lǐng)域，靜電造成的火工品放電，容易引起火工品發(fā)生爆炸事故，因此需對(duì)火工品進(jìn)行靜電火花感度試驗(yàn)。

放電方式主要分為接觸式放電和非接觸式放電。接觸式放電的重復(fù)性較好，相關(guān)的研究比較成熟，GB/T 17626.2—2018規(guī)定了接觸式放電的波形及校準(zhǔn)方法[3]；由于非接觸式放電受到外部火花通道、放電電壓的大小與極性、氣體壓強(qiáng)、環(huán)境溫濕度、電極接近速度等因素的影響，放電重復(fù)性比較低[4]。火工品靜電火花感度試驗(yàn)屬于非接觸式放電，本文依據(jù)火工品靜電感度試驗(yàn)方法，對(duì)試驗(yàn)裝置靜電放電進(jìn)行理論分析，建立等效電路模型，并根據(jù)等效電路模型進(jìn)行仿真，研制相關(guān)試驗(yàn)裝置，通過(guò)非接觸靜電放電試驗(yàn)，驗(yàn)證不同電阻電容對(duì)靜電放電波形的影響，同時(shí)研究提高非接觸式靜電放電試驗(yàn)重復(fù)性的方法。

2 非接觸式靜電放電波形理論分析

2.1 試驗(yàn)裝置理論模型

靜電感度試驗(yàn)裝置放電試驗(yàn)時(shí)，放電回路主要由儲(chǔ)能電容、放電電阻以及放電間隙組成，因此放電回路等效電路模型分為兩部分，分別為靜電感度試驗(yàn)裝置儲(chǔ)能部分等效電路模型和放電間隙的等效電路模型。

1)儲(chǔ)能部分等效電路模型

靜電感度試驗(yàn)裝置等效電路的儲(chǔ)能部分由選用的儲(chǔ)能電容和放電電阻來(lái)描述。

由于放電時(shí)間在納秒級(jí)，儲(chǔ)能電容與放電電阻使用在高頻情況下。在高頻下，儲(chǔ)能電容元件有一些由引線導(dǎo)致的接線電阻和分布電感引起的介質(zhì)損耗。電容等效電路如圖1所示。其中分布電感大小一般為(0.01～0.1)μH。

放電電阻在高頻情況下，需考慮電阻元件的引線電感和分布電容的影響，其簡(jiǎn)單的等效電路如圖2所示。其中非繞線電阻的引線電感一般為(0.01～0.1)μH。

圖2 電阻等效電路圖

2)放電間隙的等效電路模型

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)描述有兩種描述火花電阻的模型，分別為Rompe—Weizel模型和Toepler模型。經(jīng)過(guò)理論試驗(yàn)研究表明，以Rompe—Weizel為原則假設(shè)的模型，能更好的說(shuō)明火花放電能量及放電過(guò)程[5]。Rompe—Weizel定理是用來(lái)描述放電電流、通道阻抗、放電弧長(zhǎng)之間關(guān)系[6]。一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入放電通道的電能量的多少影響著電弧的長(zhǎng)短，即電能量決定電弧長(zhǎng)度的長(zhǎng)短，他們之間是一個(gè)正比例的關(guān)系。另外電弧發(fā)生是有一定的條件的，只有高于某個(gè)值(臨界值)，電弧才會(huì)發(fā)生。由式(1)可以看出，通道阻抗正比于放電弧長(zhǎng)，與放電電流成反比關(guān)系，因此仿真分析時(shí)要預(yù)估一個(gè)通道阻抗[7]。

(1)

式中：R(t)——微小放電間隙的總阻抗，Ω；d——微小間隙放電弧長(zhǎng)，m；α——放電火花常數(shù)，其值為(0.5-1)×10-4m2/V2。

2.2 仿真結(jié)果

依據(jù)Rompe—Weizel定理，放電通路的電阻與放電電流、放電弧長(zhǎng)有關(guān)，因此放電回路的阻值依據(jù)實(shí)測(cè)電流情況進(jìn)行調(diào)整。采用電路仿真軟件，搭建等效電路模型，如圖3所示，并進(jìn)行仿真分析。等效電路中儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存的能量等效為一個(gè)階躍信號(hào)，上升時(shí)間設(shè)置為25ns，電壓設(shè)置為5kV，仿真結(jié)果如圖4所示，峰值電流為52.4A，上升時(shí)間為6.02ns，脈寬為24.2ns。

圖3 靜電感度試驗(yàn)裝置放電試驗(yàn)等效電路圖

圖4 500pF，5kΩ的放電仿真波形圖

3 試驗(yàn)裝置

3.1 組成及工作原理

火工品靜電感度試驗(yàn)裝置依據(jù)GJB 5309.14—2004火工品試驗(yàn)方法第14部分靜電放電試驗(yàn)工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]?；鸸て缝o電感度試驗(yàn)裝置組成如圖5所示，裝置主要由高壓源、充放電開(kāi)關(guān)、放電電阻、儲(chǔ)能電容、放電電極、電流靶和示波器組成。工作原理為控制器控制高壓電源輸出高壓，給儲(chǔ)能電容充電，待充滿電后，控制充放電開(kāi)關(guān)切換至放電狀態(tài)，電容儲(chǔ)存的能量經(jīng)放電電阻到放電電極，若發(fā)生靜電放電，電流靶采集放電電流，示波器顯示電流波形。

圖5 火工品靜電感度試驗(yàn)裝置組成框圖

3.2 組件選型

根據(jù)火工品靜電放電的試驗(yàn)GJB 5309.14—2004中的要求，試驗(yàn)采用的靜電感度儀放電電容為500pF、放電電阻為5kΩ，因此該試驗(yàn)裝置選用耐壓40kV的高壓電容，選用阻值為5kΩ的無(wú)感電阻。

高壓電源選用的是MRA系列高壓電源模塊，該高壓電源輸出可達(dá)30kV，輸出電流最大為3.3mA，具有RS232隔離數(shù)字通信、高速模式、異常自診斷等功能，同時(shí)該高壓電源模塊具有外形尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，能使試驗(yàn)裝置小型化。

充放電開(kāi)關(guān)應(yīng)具有耐高壓，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)比各廠家繼電器，最終選用G61LC真空繼電器，可耐高壓35kV，接觸電阻為1Ω，開(kāi)關(guān)時(shí)間為15ms。

電流靶即電流傳感器，選用ESD-CALA電流靶進(jìn)行試驗(yàn)，電流靶的結(jié)構(gòu)依據(jù)GB/T 17626.2—2018的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電流傳感器內(nèi)部由很多電阻組成，這些電阻經(jīng)過(guò)特殊的排列，最終等效為一個(gè)2Ω電阻，這種結(jié)構(gòu)可以保證電流傳感器具有良好的高頻特性，滿足至少1GHz以上的工作頻率范圍的要求。放電電極對(duì)放電靶中心放電，信號(hào)從電流傳感器的另一端輸出后經(jīng)過(guò)同軸電纜饋入示波器輸入端。

示波器選用泰克MSO64高速示波器，該示波器具有8GHz的帶寬，高達(dá)25GHz/s的采樣率，滿足放電波形的采集要求，可同時(shí)測(cè)量四個(gè)通道的信號(hào)，具有USB3.0、以太網(wǎng)等通信接口。

4 非接觸式靜電放電試驗(yàn)

4.1 提高試驗(yàn)重復(fù)性試驗(yàn)

非接觸放電試驗(yàn)中放電間隙、放電位置的不確定性，導(dǎo)致放電試驗(yàn)的重復(fù)性差。為了提高非接觸放電試驗(yàn)的重復(fù)性，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度進(jìn)行控制，并采取三種改進(jìn)措施提高試驗(yàn)重復(fù)性。通過(guò)多次放電試驗(yàn)，采集放電電壓、電流，采用電壓、電流與時(shí)間的積分計(jì)算放電能量，根據(jù)能量值的分散性，分析改進(jìn)措施對(duì)放電試驗(yàn)重復(fù)性的影響。

試驗(yàn)接線如圖6所示，控制環(huán)境溫度為20℃±2℃，環(huán)境濕度為50%RH±5%RH，采用圓錐狀的電極進(jìn)行放電試驗(yàn)。提高放電重復(fù)性的措施如下：

圖6 瞬態(tài)能量采集試驗(yàn)接線示意圖

1)兩次試驗(yàn)間隔時(shí)間分別為1min和2min；

2)兩次試驗(yàn)之間放電電極增加接地操作；

3)在放電空隙中增加絕緣間隙板控制放電路徑。

電流探頭和電壓探頭接入示波器，設(shè)置高壓電源輸出為5.2kV，放電電阻和電容組合為5kΩ與10nF。根據(jù)帕邢定理設(shè)置其放電距離為3.1mm，兩次試驗(yàn)間隔為1min和2min，每組試驗(yàn)次數(shù)大于50次，試驗(yàn)結(jié)果情況如圖7和圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 間隔1min能量分布圖

圖8 間隔2min能量分布圖

表1 不同時(shí)間間隔試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of different time intervals平均值/J10%誤差范圍概率20%誤差范圍概率方差/J試驗(yàn)次數(shù)間隔時(shí)間0.2920.520.830.0372500.3050.390.660.0575500.2860.400.660.0594500.2740.780.900.0295500.2550.300.740.0389500.2550.500.800.0415501min2min

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中看，放電間隔2min的數(shù)據(jù)分散性比間隔1min的分散性小，因此重復(fù)性好，但是平均值的10%誤差范圍內(nèi)的概率小于50%，因此繼續(xù)采取提高試驗(yàn)重復(fù)性的措施。在兩次試驗(yàn)間隔為2min過(guò)程中對(duì)放電端子進(jìn)行接地操作，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 接地操作后的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results after grounding operation平均值/J10%誤差范圍概率20%誤差范圍概率方差/J試驗(yàn)次數(shù)0.2570.601.00.0276200.2740.780.900.0267200.2630.680.920.027320

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)行接地操作后，平均值的10%誤差范圍內(nèi)的概率增加，但未超過(guò)80%，因此繼續(xù)采取提高試驗(yàn)重復(fù)性的措施，在放電空隙中增加絕緣間隙板，以控制其放電路徑，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 增加絕緣間隙板后試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results after adding insulating gap plate平均值/J10%誤差范圍概率方差/J試驗(yàn)次數(shù)0.4020.90.0245200.4041.00.0252200.4050.920.025520

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在放電空隙中增加絕緣間隙板控制放電路徑后，平均值的10%誤差范圍內(nèi)的概率增加，且超過(guò)80%，甚至達(dá)到100%，因此提高了非接觸式放電試驗(yàn)的重復(fù)性。最終確定非接觸式放電試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度為20℃±2℃，環(huán)境濕度為50%RH±5%RH，兩次試驗(yàn)間隔為2min以上，且放電后放電端進(jìn)行接地，清除剩余電荷，放電空隙之間增加合適尺寸的絕緣間隙板，控制放電路徑。

4.2 放電波形試驗(yàn)

根據(jù)非接觸式放電試驗(yàn)的方法，采用不同的放電電容與放電電阻進(jìn)行組合，進(jìn)行放電試驗(yàn)，試驗(yàn)中采集放電電流的峰值、電流脈寬和上升時(shí)間。放電電阻設(shè)置為5kΩ，更改儲(chǔ)能電容分別為500pF，1000pF，10nF，100nF，部分放電試驗(yàn)的電流波形如圖9和圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖9 500pF，5kΩ的放電波形圖

圖10 100nF，5kΩ的放電波形圖

表4 不同電容的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of different capacitance間隙/mm電壓/kV儲(chǔ)能電容放電電阻電流峰值/A上升時(shí)間/ns脈寬/ns35.08500pF5kΩ50.756.8524.5234.981000pF5kΩ48.427.1224.4535.2410nF5kΩ54.417.0424.2136.12100nF5kΩ62.626.8123.64

根據(jù)試驗(yàn)情況分析：在放電電阻不變，儲(chǔ)能電容值增加的情況下，其放電波形一致；隨著電容值的增加，其放電電流波形的上升時(shí)間、脈寬沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，放電電流波形的上升時(shí)間差異最大為3.9%，脈寬差異最大為3.7%；電流峰值與放電端兩端的電壓成正比關(guān)系。由于試驗(yàn)時(shí)的電壓值為采集的放電端的實(shí)際放電電壓值，因此會(huì)有不同。

綜上所述：在放電電阻不變，儲(chǔ)能電容增加的情況下，其放電波形一致，放電電流波形的上升時(shí)間、脈寬沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，差異不超過(guò)±10%，但電流峰值與放電端兩端的電壓成正比。說(shuō)明儲(chǔ)能電容變化，對(duì)放電電流的影響較小，但放電電壓與電流峰值成正比。

將圖4與圖8相比，電流波形趨勢(shì)一致，仿真的峰值電流為52.4A，上升時(shí)間為6.02ns，脈寬為24.2ns，而試驗(yàn)結(jié)果的峰值電流為50.75A，上升時(shí)間為6.85ns，脈寬為24.52ns。其峰值電流差異為3.2%、上升時(shí)間差異為12%，脈寬差異為1.3%，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果相比，峰值電流與脈寬差異較小，而仿真時(shí)設(shè)置階躍信號(hào)的上升時(shí)間導(dǎo)致兩者上升時(shí)間差異較大，因此仿真能體現(xiàn)試驗(yàn)的峰值電流和脈寬的實(shí)際情況。

放電電容設(shè)置為10nF，更改放電電阻分別為500Ω，1kΩ，1.5kΩ，5kΩ，部分放電試驗(yàn)的電流波形如圖11和圖12所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖11 10nF，500Ω的放電波形圖

圖12 10nF，1.5kΩ的放電波形圖

根據(jù)試驗(yàn)情況分析：在儲(chǔ)能電容不變，放電電阻值增加的情況下，其放電波形一致；隨著電阻值增加，電流峰值沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，最大差異為3.0%；上升時(shí)間與放電電阻成正比關(guān)系，差異最大

表5 不同電阻的試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of different resistance間隙/mm電壓/kV儲(chǔ)能電容放電電阻電流峰值/A上升時(shí)間/ns脈寬/ns35.2710nF500Ω51.416.7725.9735.1810nF1kΩ51.926.8425.5735.0810nF1.5kΩ51.826.8625.1835.2410nF5kΩ52.967.0424.21

為4.0%；脈寬與放電電阻成反比關(guān)系，差異最大為-6.8%。

綜上所述：在儲(chǔ)能電容不變，放電電阻值增加的情況下，其放電波形一致，電流峰值沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，其放電電流波形的上升時(shí)間與放電電阻成正比，脈寬與放電電阻成反比，但誤差均不超過(guò)±10%，說(shuō)明放電電阻的高頻特性差別較小，對(duì)放電波形的影響較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究火工品靜電放電試驗(yàn)裝置，并對(duì)該裝置非接觸式靜電放電時(shí)的等效電路模型進(jìn)行分析，并通過(guò)該等效電路，采用仿真軟件對(duì)放電試驗(yàn)進(jìn)行仿真。由于非接觸靜電放電試驗(yàn)的放電重復(fù)性比較低，本文采取相關(guān)措施提升了試驗(yàn)的重復(fù)性。

確定試驗(yàn)條件后，針對(duì)電容與電阻的不同組合進(jìn)行放電試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相比差異較小，電流波形趨勢(shì)一致；不同電容相同電阻的配置下，放電波形一致，儲(chǔ)能電容變化，對(duì)放電電流波形的上升時(shí)間和脈寬的影響較小，但放電電壓與電流峰值成正比；相同電容與不同電阻的配置下，其放電波形一致，電流峰值沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，其放電電流波形的上升時(shí)間與放電電阻成正比，脈寬與放電電阻成反比，但誤差均較小，說(shuō)明放電電阻的高頻特性差別較小，對(duì)放電波形的影響較小。