龍中權(quán),付繼偉,陳 曦,齊 歡
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
電氣設(shè)備在強(qiáng)電磁脈沖作用下,可能同時(shí)存在累積效應(yīng)和效應(yīng)隨機(jī)性[1,2]。早期曾有研究認(rèn)為,半導(dǎo)體器件內(nèi)的強(qiáng)電場(chǎng)大電流可能先造成不明顯影響實(shí)際功能的微小損傷,但多次脈沖累積會(huì)導(dǎo)致失效。而另一方面,歐洲抗高空電磁脈沖標(biāo)準(zhǔn)的研究者Sabath在文獻(xiàn)中假設(shè)電磁脈沖對(duì)器件的效應(yīng)具有一定的隨機(jī)性,即每次電磁脈沖作用于器件,損傷的發(fā)生有一定隨機(jī)性,從而認(rèn)為試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)足夠多以確??赡艿膿p傷發(fā)生[3~5]。盡管有上述定性探討,但目前公開的文獻(xiàn)上對(duì)累積效應(yīng)和效應(yīng)的隨機(jī)性鮮有量化的研究結(jié)果報(bào)道。
設(shè)備級(jí)、系統(tǒng)級(jí)雷電電磁脈沖試驗(yàn)一般來(lái)說(shuō)應(yīng)一方面足夠多,以便使帶有隨機(jī)性的損傷發(fā)生的概率達(dá)到規(guī)定的置信度,另一方面不宜過多,以免累積效應(yīng)導(dǎo)致的類似疲勞的損傷。針對(duì)常用的幾種典型組件,以試驗(yàn)的方式,統(tǒng)計(jì)失效閾值與試驗(yàn)次數(shù)的量化關(guān)系,提取累積效應(yīng)與效應(yīng)隨機(jī)性的量化規(guī)律,為設(shè)計(jì)電氣設(shè)備及系統(tǒng)抗雷電電磁脈沖試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)提供理論與數(shù)據(jù)支撐。
1.1.1 被試件狀態(tài)
被試電路為數(shù)字開關(guān)量,采用IRF520N場(chǎng)效應(yīng)管;電磁脈沖從場(chǎng)效應(yīng)管的D極、S極之間注入,注入過程中,場(chǎng)效應(yīng)管不加電。典型數(shù)字開關(guān)量電路如圖1所示。
圖1 典型數(shù)字開關(guān)量電路 Fig.1 Typical Digital Input Circuit Module
1.1.2 試驗(yàn)方法
a)試驗(yàn)前檢測(cè)電路功能是否正常(在GS間加偏置電流,連接負(fù)載及電源,觀察負(fù)載上顯示的電壓及電流值:Vin=24 V,限流1.1 A,負(fù)載限流1 A)。
b)被試品檢測(cè)正常后,脈沖施加在D極、S極之間(注入)。
c)每次脈沖注入后,按照上述方法檢測(cè)電路工作是否正常。
1.1.3 試驗(yàn)注入量級(jí)
a)單次脈沖,兩次電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB(研究單次脈沖,不同量級(jí)的累積效應(yīng))。
分別對(duì)每個(gè)電路按照單次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……進(jìn)行注入,注入后測(cè)試電路是否失效,按順序依次增加,直至失效。
具體施加的電壓幅值由摸底試驗(yàn)后,根據(jù)失效閾值確定起始注入電壓,樣本數(shù):20個(gè)。
b)10次脈沖,兩次電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB(研究多次脈沖的累積效應(yīng))。
一個(gè)量級(jí)注入10次脈沖,每個(gè)脈沖注入后測(cè)量電路是否失效,按順序依次增加,直至失效。
具體施加的電壓幅值由摸底試驗(yàn)后,根據(jù)失效閾值確定起始注入電壓,樣本數(shù):20個(gè)。
c)10次脈沖,間隔3 dB(研究多次脈沖的累積效應(yīng),減少前次脈沖對(duì)損傷閾值的影響)。
分兩組,每組間隔1.5 dB;
第1組:100 V、141 V、200 V、282 V、……
第2組:119 V、168 V、238 V……
一個(gè)量級(jí)注入10次脈沖,每個(gè)脈沖注入后測(cè)量電路是否失效,按順序依次增加,直至失效。
具體施加的電壓幅值由摸底試驗(yàn)后,根據(jù)失效閾值確定起始注入電壓,樣本數(shù):各20個(gè),共40個(gè)。
試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置方案如表1所示。
表1 數(shù)字量輸入端口試驗(yàn)條件 Tab.1 Test Conditions of Digital Input Circuit Module
1.2.1 被試件狀態(tài)
被試品采用OP37模擬放大電路,電磁脈沖從放大電路的輸入端注入,注入過程中,模擬放大電路不加電。
1.2.2 試驗(yàn)方法
a)試驗(yàn)前檢測(cè)電路功能是否正常(給放大器加電源使其工作,在模擬放大電路輸入端加測(cè)試電壓,在模擬放大電路輸出端測(cè)試輸出信號(hào),調(diào)節(jié)放大按鈕開關(guān),觀察模擬電路輸出信號(hào)是否隨輸入信號(hào)的變化而變化);
b)被試品檢測(cè)正常后,電磁脈沖施加在模擬電路的輸入端(注入);
c)每次脈沖注入后,按照上述方法檢測(cè)電路工作是否正常。
1.2.3 試驗(yàn)注入量級(jí)
根據(jù)正式試驗(yàn)前的摸底結(jié)果,OP37模擬放大電路在電磁脈沖源電壓峰值輸出1700 V注入下(對(duì)應(yīng)施加到電路輸入端的電壓約為750 V),電路出現(xiàn)損傷效應(yīng)。所以,本次試驗(yàn)使用的模擬放大電路耐壓強(qiáng)度按照脈沖場(chǎng)峰值電壓750 V進(jìn)行試驗(yàn),樣本數(shù)均為10個(gè),共分為3種狀態(tài):
a)10次脈沖,兩次電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB(第1組)。
分別對(duì)每個(gè)電路按照10次300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V、2400 V……進(jìn)行注入,一個(gè)量級(jí)注入10次脈沖,每個(gè)脈沖注入后測(cè)量電路是否失效,按順序依次增加,直至失效。
b)10次脈沖,兩次電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB(第2組)。
分別對(duì)每個(gè)電路按照10次360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V、2856 V……進(jìn)行注入,一個(gè)量級(jí)注入10次脈沖,每個(gè)脈沖注入后測(cè)量電路是否失效,按順序依次增加,直至失效。
c)多次脈沖(直至失效),幅值為常值,待定(根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果確定)。
根據(jù)前面試驗(yàn)結(jié)果,選定一常值電壓,重復(fù)多次,直至放大電路失效,研究同一量級(jí)下的累積效應(yīng)。
試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置方案如表2所示。
表2 模擬量輸入端口試驗(yàn)條件 Tab.2 Test Conditions of Analog Input Circuit Module
1.3.1 被試件狀態(tài)
模擬量輸出模塊在與工業(yè)以太網(wǎng)耦合器連接狀態(tài)下工作,試件應(yīng)在加電狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn),輸出端無(wú)負(fù)載。每個(gè)模擬量輸入端子模塊有4個(gè)獨(dú)立且相同的輸入端口,因此作為4個(gè)獨(dú)立的試件。每次脈沖注入后用TwinCAT軟件測(cè)試功能是否正常。
1.3.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)中脈沖源為直流高壓源,施加的脈沖類型分為3類:?jiǎn)蚊}沖,10脈沖間隔6 dB,10脈沖間隔3 dB。
電壓峰值設(shè)置為從500 V開始,對(duì)每一個(gè)模塊的第1個(gè)端口注入單脈沖,電壓幅值以6 dB遞增,直至出現(xiàn)損壞現(xiàn)象,記下?lián)p傷時(shí)和損傷前次的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。
電壓峰值設(shè)置為從500 V開始,對(duì)每一個(gè)模塊的第2個(gè)端口注入10個(gè)脈沖,電壓幅值以6 dB遞增,直至出現(xiàn)損壞現(xiàn)象,記下?lián)p傷時(shí)和損傷前次的第10次脈沖的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。
電壓峰值設(shè)置為從500 V開始,對(duì)每一個(gè)模塊的第3個(gè)端口注入10個(gè)脈沖,電壓幅值以3 dB遞增,直至損壞現(xiàn)象,記下?lián)p傷時(shí)和損傷前次第10次脈沖的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。由于EC21模塊只含有兩個(gè)端口,需再取第2個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試。
再根據(jù)試驗(yàn)情況,取規(guī)定個(gè)數(shù)的試件,在Uin的基礎(chǔ)上適當(dāng)加減電壓,按照順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn),直至出現(xiàn)損壞現(xiàn)象,記下?lián)p傷時(shí)和損傷前次的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。對(duì)于10脈沖的情況,僅記錄最后一次即可。按此方法,重復(fù)試驗(yàn)。
1.3.3 試驗(yàn)注入量級(jí)
單脈沖為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖,結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
10脈沖間隔6 dB為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖,結(jié)束后間隔大于10 s,再注入第2次脈沖,繼續(xù)間隔大于10 s,進(jìn)行第3次脈沖注入,以此類推至十次脈沖注入結(jié)束,對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。該類情況需將被測(cè)試件分為兩組交錯(cuò)提高試驗(yàn)量級(jí),每組按6 dB間隔提高量級(jí),兩批之間試驗(yàn)量級(jí)相差3 dB。例如,第1批試件施加的脈沖電壓為100 V、200 V、400 V……,第2批試件施加的脈沖電壓為141 V、282 V……
10次脈沖間隔3 dB為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖,結(jié)束后間隔大于10 s,再注入第2次脈沖,繼續(xù)間隔大于10 s,進(jìn)行第3次脈沖注入,以此類推至十次脈沖注入結(jié)束,對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。此類情況不用分批進(jìn)行試驗(yàn)。模擬量輸出端口試驗(yàn)條件如表3所示。
表3 模擬量輸出端口試驗(yàn)條件 Tab.3 Test Conditions of Analog Output Circuit Module
2.1.1 單次脈沖,兩次電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB
對(duì)每個(gè)電路按照單次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……進(jìn)行注入,各次脈沖注入后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試,判定是否失效。
數(shù)字量輸入模塊施加100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V后,測(cè)量輸入的電流,其中幾個(gè)典型波形如圖2所示(在20個(gè)樣本中選取其中一個(gè)樣本為例)。
圖2 電壓-電流波形 Fig.2 Voltage-current Waveform
由圖2a可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入電壓在100 V時(shí),電流近似為0 A,說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管沒有受到明顯損傷,其電阻近似無(wú)窮大;脈沖施加后,對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè),電路能夠正常工作,開關(guān)量輸入模塊電路完好。圖2b顯示了當(dāng)輸入電壓為141 V時(shí),流過電路的脈沖電流峰值逐漸增加,施加到電路的電壓波形出現(xiàn)畸變;脈沖施加后,分別對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè),電路能夠正常工作。從上述現(xiàn)象可以分析出,隨著注入的脈沖電壓峰值逐漸增大,場(chǎng)效應(yīng)管逐漸出現(xiàn)預(yù)擊穿現(xiàn)象,但是預(yù)擊穿后可以立即恢復(fù)。由圖2c波形可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入的脈沖電壓峰值達(dá)到238 V后,電路上的電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變,流過電路的電流急劇增大,達(dá)70 A左右。脈沖電壓施加后,對(duì)電路進(jìn)行功能性檢測(cè),發(fā)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管D極與S極之間呈通路狀態(tài),說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管已被擊穿。
2.1.2 10次脈沖,每量級(jí)電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB
分別對(duì)每個(gè)電路按照10次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……進(jìn)行注入,一個(gè)量級(jí)注入10次脈沖,每個(gè)脈沖注入后測(cè)量電路是否失效,按順序依次增加,直至失效。
數(shù)字量輸入模塊分別施加100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V脈沖電壓10次,同時(shí)測(cè)量輸入的電流,其中幾個(gè)典型波形如圖3所示(在20個(gè)樣本中選取其中一個(gè)樣本,圖中為第15個(gè)樣本)。
圖3 電壓-電流波形 Fig.3 Voltage-current Waveform
由圖3可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過每個(gè)量級(jí)的10次脈沖后,開關(guān)量輸入電路的電壓-電流波形與單次脈沖波形基本類似。對(duì)20個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)每個(gè)樣本在同一量級(jí)下的波形都相近,所有樣本都是在238 V第一次施加后失效。
2.1.3 10次脈沖,每量級(jí)電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB
由10次脈沖,每量級(jí)電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB試驗(yàn)結(jié)果可以看出,數(shù)字量輸入模塊的損傷閾值比較確定,且與施加的電磁脈沖電壓前后間隔關(guān)系較小,所以每量級(jí)電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB的試驗(yàn)必要性不大,故本次試驗(yàn)不再進(jìn)行。
2.1.4 小結(jié)
經(jīng)統(tǒng)計(jì),數(shù)字量輸入端子的電磁脈沖累積效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,所選數(shù)字量輸入端子的擊穿電壓均為238 V,且與單次脈沖或者多次脈沖試驗(yàn)工況無(wú)關(guān),說(shuō)明所選數(shù)字量輸入端子對(duì)電磁脈沖的累積效應(yīng)不明顯。
表4 數(shù)字量輸入端子擊穿電壓統(tǒng)計(jì) Tab.4 Statistics of Breakdown Voltage of Digital Input Circuit Module
2.2.1 單次脈沖
對(duì)模擬量輸入電路按照單次300 V、360 V、425 V、505 V、600 V、715 V、850 V、1010 V、1200 V、1430 V、1700 V、2025 V、2400 V……進(jìn)行注入,各次脈沖注入后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試,判定是否失效。
經(jīng)10個(gè)樣本試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,10個(gè)樣本均在1700 V量級(jí)發(fā)生失效。
2.2.2 10次脈沖,兩次電磁脈沖電壓峰值間隔3dB
a)第1組:300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V、2400 V……。
模擬量輸入模放大電路施加300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V后,測(cè)量輸入的電流。
選取的樣本試驗(yàn)過程中,脈沖源輸出的電壓為1700 V后,施加在模擬輸入電路的輸入端口電壓約為780 V,重復(fù)4次后,電路的放大倍數(shù)下降;施加第5次脈沖后,放大電路失效。
b)第2組:360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V、2856 V……。
模擬量輸入放大電路施加360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V后,測(cè)量輸入的電流。
選取的樣本試驗(yàn)過程中,脈沖源輸出的電壓為2025 V后,施加在模擬輸入電路的輸入端口電壓約為968 V,重復(fù)3次后,放大電路失效。
2.2.3 10次脈沖,脈沖源輸出電磁脈沖電壓峰值固定為1700V
對(duì)上述有間隔重復(fù)性試驗(yàn)可以看出,模擬放大電路很大幾率在脈沖源輸出1700 V(施加在模擬電路上的電壓約為780 V)時(shí)出現(xiàn)失效,故選擇固定電壓幅值1700 V。
分別對(duì)每個(gè)電路按照10次1700 V的脈沖進(jìn)行注入,研究在1700 V量級(jí)下的模擬放大輸入電路累積效應(yīng),每個(gè)脈沖注入后測(cè)量電路是否失效,得到的電壓電流波形如圖4所示(由于同一量級(jí)下輸出波形幅值較穩(wěn)定,故只選取一次試驗(yàn)波形進(jìn)行說(shuō)明):
圖4 電壓-電流波形(輸入電壓1700V) Fig.4 Voltage-current Waveform(Input Voltage: 1700V)
對(duì)參加試驗(yàn)的30個(gè)樣本損傷閾值試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見表5。
表5 OP37模擬放大電路失效閾值統(tǒng)計(jì) Tab.5 Statistics of Breakdown Voltage of Analog Input Circuit Module
由表5中結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),單次脈沖條件下,模擬方法模塊失效閾值均為780 V。10次脈沖間隔3 dB試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn),損傷閾值在688 V、780 V、944 V均有出現(xiàn)。選取固定值688 V輸入電壓重復(fù)試驗(yàn),在連續(xù)施加不同次數(shù)后出現(xiàn)失效,表明典型電路對(duì)電磁脈沖的作用具有明顯的累積效應(yīng)。
該模塊在與工業(yè)以太網(wǎng)耦合器連接狀態(tài)下工作,試件在加電狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn),輸出端無(wú)負(fù)載。每個(gè)模擬量輸入端子模塊有4個(gè)獨(dú)立且相同的輸入端口,因此作為4個(gè)獨(dú)立的試件。試驗(yàn)時(shí)分別采用單脈沖、10脈沖間隔6 dB以及10脈沖間隔3 dB對(duì)器件性能進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)所得結(jié)果如表6所示。
由表6得,對(duì)于模擬量輸出模塊,在不同的脈沖次數(shù)及間隔下,單脈沖對(duì)其作用的損傷閾值范圍波動(dòng)較大,其損傷閾值最大值為1410 V,最小值為640 V;10脈沖間隔6 dB的情況損傷閾值范圍波動(dòng)小于單脈沖時(shí)的情況,其損傷閾值最大值為860 V,最小值為520 V;10脈沖間隔3 dB的情況損傷閾值范圍波動(dòng)更小,其損傷閾值最大值為1000 V,最小為970 V。單脈沖作用下?lián)p傷閾值最大值高于10脈沖作用下?lián)p傷閾值最大值,而在10次脈沖作用下,間隔6 dB情況下?lián)p傷閾值最大值小于間隔3 dB的情況。單脈沖作用下的損傷閾值平均值為933 V,10脈沖間隔6 dB作用下平均值為685 V,10次脈沖間隔3 dB作用下平均值為 985 V。
表6 不同脈沖次數(shù)及間隔下模擬量輸出的損傷閾值電壓 Tab.6 Statistics of Breakdown Voltage of Analog Output Circuit Module
由此可知,單脈沖作用下?lián)p傷閾值平均值高于10脈沖間隔6 dB作用下的平均值約3 dB,但卻小于10脈沖間隔3 dB作用下的平均值約0.5 dB。單脈沖作用下的損傷閾值方差為61 656,10次脈沖間隔6 dB作用下的損傷閾值方差為15 275,10次脈沖間隔3 dB作用下的損傷閾值方差為225。單脈沖作用下?lián)p傷閾值的穩(wěn)定性小于10次脈沖作用下?lián)p傷閾值的穩(wěn)定性。
研究了典型電子器件在雷電電磁脈沖環(huán)境下的累積效應(yīng),選取了典型數(shù)字量輸入模塊、模擬量放大輸入模塊、模擬量輸出模塊作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,經(jīng)過研究表明該數(shù)字量輸入模塊對(duì)雷電電磁脈沖無(wú)明顯累積效應(yīng),而該模擬量放大輸入模塊、模擬量輸出模塊對(duì)雷電電磁脈沖具有較明顯的累積效應(yīng),研究結(jié)果可為設(shè)備級(jí)、系統(tǒng)級(jí)雷電電磁脈沖試驗(yàn)提供一定參考。a)對(duì)于數(shù)字量輸入模塊,無(wú)論是在單次脈沖注入還是10次脈沖情況下,對(duì)各20個(gè)樣本,共40個(gè)樣本的樣本,所有樣本的損傷閾值均為238 V,無(wú)任何波動(dòng)。說(shuō)明所選取的典型數(shù)字量輸入模塊對(duì)電磁脈沖的損傷累積效應(yīng)不明顯。
b)對(duì)于模擬量放大輸入模塊,在脈沖電壓量級(jí)間隔1.5 dB(第一組)的10個(gè)樣本中,9個(gè)樣本都是在其輸入端輸入脈沖電壓約為780 V時(shí)失效,且在被試電路失效前,有放大倍數(shù)下降的現(xiàn)象出現(xiàn);若單獨(dú)對(duì)模擬放大電路進(jìn)行780 V輸入電壓進(jìn)行累積效應(yīng)測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn)被試電路均不是在第一次就失效,說(shuō)明模擬量放大電路對(duì)電磁脈沖的作用具有明顯的累積效應(yīng)。
c)對(duì)于模擬量輸出模塊,單脈沖作用下存在一個(gè)異常值4000 V,出現(xiàn)這種情況可能與實(shí)驗(yàn)環(huán)境或是器件差異等因素有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)得出單脈沖作用下?lián)p傷閾值平均值只大于10次脈沖作用下的其中一種情況的損傷閾值平均值。其原因在于單脈沖和10次脈沖試件數(shù)量不同;其次10次脈沖作用的脈沖間隔小于單脈沖作用下的脈沖間隔,使電流流過電路時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱沒有完全釋放掉,而下一個(gè)脈沖的到來(lái)又使得這種熱量累積;再次10次脈沖作用下的脈沖個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于單脈沖作用下的脈沖個(gè)數(shù),即10次脈沖作用時(shí)的能量大于單脈沖作用時(shí)的能量。因此,單脈沖作用下的損傷閾值平均值會(huì)高于10次脈沖間隔6 dB作用下?lián)p傷閾值平均值。由此可看出脈沖對(duì)模擬量輸出也存在一定程度的累積效應(yīng)。