微弧氧化机理及电击穿模型

为了研究微弧氧化的基本过程和机理,采用自行设计的气体介质电极击穿放电试验装置,测量了微弧氧化过程中阴极和阳极之间的距离与最低击穿电压的关系曲线,并建立了微弧氧化阳极气泡击穿理论模型和阳极等效电路。结果表明:最低击穿电压Vk值大小随阴、阳极之间距离增大而近似线性增加,微弧氧化膜层是在气泡位于陶瓷层的孔隙处时而生长;阳极气泡击穿理论模型能够合理地解释微弧氧化的基本过程和机理,并为改善微弧氧化工艺和提高膜层性能提供了理论基础。

3维电介质击穿模型在雷电防护系统评估试验中的应用

采用荷电圆盘雷云解析模型作激励源,利用电介质击穿模型进行了地闪先导放电高分辨力3维数值模拟,得到了50 m分辨力的地闪放电图样与先导近地500 m时的地面电场分布(峰值-164.9 kV.m-1),结果与实际观测值相符。模拟中通过高维样条插值实现了计算空间与评估区域的分辨力转换(50 m到1 m),构建评估模型,可以进行雷电防护系统的数值评估试验。用该方案对一种雷电防护系统概念模型进行了试验,结果显示:系统10 m高-、1.5 MV激励的条件下,5 m高处的雷击概率以系统为中心随距离增加而增大,系统投影区域雷击概率为0;由于先导激励地面电场的非对称性,保护区范围各向分布极不均匀。通过此方案可以得到系统作用下精细的雷击概率分布,适用于雷电防护系统效能评估。

介质击穿模型参数对雷电先导放电数值模拟的影响

为研究介质击穿模型参数的选取对雷电先导放电数值模拟结果的影响,以雷云荷电模型和WZ模型为基础,模拟计算了三维先导放电通道在50m空间分辨率下的分形维数和先导临近对地面电场峰值的增强程度.统计分析结果表明:分形维数随着概率指数和电场击穿阈值的增大而减小,但随着通道内电场的增大先减小而后基本趋于稳定,且概率指数对分形维数的影响程度最为剧烈,电场击穿阈值次之,通道内电场的影响相对最弱;地面电场峰值的增强程度随着通道内电场和电场击穿阈值的增大而减小,但随着概率指数的增大先减小而后基本趋于稳定,且通道内电场对地面电场峰值增强程度的影响最为剧烈,概率指数次之,电场击穿阈值的影响相对最弱.

均匀、阶梯和线性掺杂漂移区SOI RESURF器件的统一击穿模型(英文)

提出了一个均匀、阶梯和线性掺杂漂移区SOI高压器件的统一击穿模型 .基于分区求解二维Poisson方程 ,得到了不同漂移区杂质分布的横向电场和击穿电压的统一解析表达式 .借此模型并对阶梯数从 0到无穷时器件结构参数对临界电场和击穿电压的影响进行了深入研究 .从理论上揭示了在厚膜SOI器件中用阶梯掺杂取代线性漂移区 ,不但可以保持较高的耐压 ,而且降低了设计和工艺难度 .解析结果。

改进的击穿模型研究c-C_4F_8/N_2混合气体绝缘性能

从绝缘强度和温室效应指数两方面研究了八氟环丁烷(c-C4F8)混合气体的绝缘性能。建立了改进的c-C4F8及混合气体的电击穿模型,理论计算c-C4F8混合气体在不同气压、不同混合比及不同电极距离下的击穿电压,并与SF6/N2混合气体在相同条件下进行了对比。研究结果表明:理论计算与实验结果相吻合。气体混合比在30%之内时,c-C4F8/N2混合气体绝缘强度非常接近相同混合比的SF6/N2混合气体。综合考虑温室效应指数和绝缘性能,c-C4F8混合气体中,c-C4F8气体含量以10%～20%为宜。

介电击穿模型(DBM)的相变问题研究:重正化群方法

本文用重正化群方法对介电击穿模型（ＤＢＭ）的相变问题进行了研究。我们计算了２×２原胞和３×３原胞的多重分形谱和自由能以判断相变是否存在。为了寻找相变点，我们还计算了从３×３原胞到２×２原胞重正化得来的自由能的二阶导数。我们得到两个结论：一是对几乎所有的η值相变都存在；二是η值越大，则相变点ｑｃ的值越大。

雪崩光电探测器的击穿效应模型分析

基于CMOS工艺制备了空穴触发的Si基雪崩探测器(APD),基于不同工作温度下器件的击穿特性,建立空穴触发的雪崩器件的击穿效应模型。根据雪崩击穿模型和击穿电压测试结果,拟合曲线得到击穿电场与温度的关系参数(dE/dT),器件在250~320 K区间内,击穿电压与温度是正温度系数,器件发生雪崩击穿为主,dV/dT=23.3 mV/K,其值是由倍增区宽度以及载流子碰撞电离系数决定的。在50~140 K工作温度下,击穿电压是负温度系数,器件发生隧道击穿,dV/dT=-58.2 mV/K,其值主要受雪崩区电场的空间延伸和峰值电场两方面因素的影响。

单个浮置场限环终端结构击穿电压模型

基于B.J.Baliga的击穿电压理论,通过求解双边突变圆柱结的泊松方程,提出了单个浮置场限环终端结构的击穿电压解析模型。该模型计算结果与模拟结果的误差在±7%之内,具有精度高、应用范围广等特点,可以帮助设计者初步确定浮置场限环注入窗口大小及与主结的间距等关键参数。

交互区对纳米Al_2O_3-环氧树脂复合电介质短时击穿特性的影响

为了对纳米复合电介质的电气性能变化与显微结构之间的关系进行深入研究,以双酚A型环氧树脂为基体,通过机械分散法制备了不同浓度的纳米Al_2O_3-环氧树脂复合电介质。利用扫描电镜对试样的断面进行了观测,研究了不同含量的纳米粒子对复合电介质介电响应和工频击穿特性的影响。结果表明:纳米粒子在环氧树脂基体中分散均匀;随着掺杂量的增加,复合材料的介电常数和低频损耗先下降后上升,在纳米粒子质量分数为1%时达到最低;工频击穿场强先增大后减小,在纳米粒子质量分数为1%时达到最大,为43 400V/mm,相对纯环氧树脂提高约11.8%。分析认为,纳米粒子与环氧树脂之间形成的交互区是影响短时击穿的主要因素。微量掺杂时,交互区的厚度小于载流子的自由程,抑制载流子迁移,进而增大击穿场强,随着纳米掺杂量提高,交互区会发生重叠,降低击穿场强。

激光诱导下雾化水滴颗粒的击穿特性

为了对气液两相介质激光推进技术中雾化水滴的击穿阈值特性进行研究,建立激光诱导下单个水滴微粒的光学击穿模型,计算分析入射功率密度、水滴微粒半径、入射激光波长等相关因素对雾化水滴颗粒击穿过程的影响.结果表明:随入射功率密度的增大,由107 W/cm2上升至1011 W/cm2,击穿位置沿入射反方向移动.随水滴微粒半径的增大,从0到50μm,击穿阈值减小,从35×106 W/cm2下降到2.5×106 W/cm2,击穿位置沿入射方向移动.随激光波长的增大,由0到12μm,击穿位置沿入射反方向移动;当波长较短时(λ<2μm),击穿阈值随波长增大而迅速减小,从25×106 W/cm2下降到5×106 W/cm2.当波长较长时(λ>2μm),波长增大对击穿阈值影响较小.

雷电地面电场分布的3维DBM模型仿真参数影响分析

采用荷电圆盘雷云解析模型作激励源,利用电介质击穿模型进行了地闪先导放电高分辨力3维数值模拟,得到了先导近地500 m时概率指数和击穿发展阈值对地面电场分布的影响。通过计算机模拟,得到了概率指数η和击穿阈值Ecrit对地面电场分布的影响,同时也验证了这2个参数对建立放电模型的重要性,为通过这一模型进行任意雷电发生时的地面电场分布模拟奠定了基础。

改进先导发展模型在超特高压线路耐雷性能评估中的应用

为提高雷电先导放电三维数值模拟的空间分辨率,研制了一种改进先导发展模型,即将近地区域的分辨率设置为1 m,将非近地区域的分辨率设置为50 m,进而进行三维数值模拟。在此改进模型基础上,数值模拟得到了雷电先导放电二维投影图样,并结合改进先导发展模型计算得出的绕击概率分布,得出了±500 kV直流输电线路的绕击率。以内蒙古呼伦贝尔地区伊穆±500 kV超高压直流输电线路为例,通过比较自然界中雷电放电与模拟结果的分形维数验证了该模型的合理性。

脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响

采用直流电缆用交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘料,制备100、200、300、400mm 4个不同厚度的试样,经70℃、100Pa真空环境下不同时间(0、24和72h)的脱气处理后,通过其直流击穿场强和空间电荷特性检测和比对分析,研究脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响。研究表明,对于相同厚度试样,脱气处理能有效提高XLPE的击穿场强,并减少电极附近的异极性电荷积累和试样内交联副产物含量,且相对较厚试样的击穿场强的提高更明显。相同脱气时间下,试样厚度的增加导致交联副产物含量的增加、两极附近异极性电荷量增加、电场畸变的增加和击穿场强的降低。在不同脱气时间下,对直流击穿场强与厚度依据反幂规律进行拟合,由拟合结果可知随脱气时间增加,系数k逐渐增大,指数因子n逐渐减小。通过建立一种e指数函数关系以拟合脱气时间对于反幂规律中参数k与n的影响,为达到最佳的脱气效果提供参考。基于非本征击穿模型分析,脱气能减少XLPE中预先已有的缺陷和加压过程中产生的缺陷数量。交流副产物含量的降低能减少造成试样击穿的杂质缺陷和异极性电荷的积累,提高XLPE的击穿场强。合适的绝缘厚度和脱气时间选择可以在节省成本的同时,最大程度地提高直流电缆的绝缘性能。

集成电路HPM损伤机理分析

针对几种常用的数字和模拟集成电路,开展了高功率微波注入实验研究,获得了损伤阈值,分析了损伤阈值随高功率微波脉冲宽度的变化规律;通过失效分析,确定了高功率微波在集成电路微米量级的端间间隙处形成瞬态强电场,引起端间沿面击穿,并形成自持放电产生等离子区,使击穿电路端间大面积过流烧毁,导致集成电路功能失效;结合大气击穿机理及理论模型计算结果,认为高功率微波引起介质表面空气击穿是其损伤电子系统的重要机理。

聚合物纳米复合电介质电热耦合分子断裂击穿特性与机理研究

薄膜介电电容器是电力系统、新能源汽车及电磁能装备中广泛使用的高功率储能设备.但面对越来越高的工作温度,电介质的击穿强度急剧下降,导致电容器的储能密度大幅减小.为了明确电介质击穿特性和温度间的定量关系,本文制备了聚丙烯/氧化铝和聚醚酰亚胺/氧化铝纳米复合电介质,研究其击穿强度的温度依赖性.结果表明,电介质的击穿场强随温度升高下降幅度增大,两者间为凸函数关系.但传统击穿模型均得到击穿强度与温度的变化为凹函数关系,与实验结果不符.本文建立了电热耦合分子断裂击穿模型,模型解析值与实验数据的最大误差仅为3.57%;从分子定向运动导致局部分子链相互作用强度下降的角度揭示了聚合物的击穿机理;纳米填料掺杂会导致复合电介质中的分子链受到束缚,界面区分子链间相互作用增强,并减少弱束缚分子链段,提升电介质的击穿场强及其温度稳定性.该研究为开发耐高温储能电容器提供了理论模型支持.

基于分形理论的超特高压线路绕击耐雷性能评估

超特高压输电线路雷电屏蔽模型对线路的防雷设计有着重要的指导意义。为此研究了一种基于分形理论的输电线路绕击先导发展模型,首先从雷云电荷分布、上行先导起始、上下行先导发展和最终判据等方面研究了分形先导发展模型计算流程中的关键问题。并根据分形理论研究了上下行先导发展的电介质击穿模型DBM以及实现方式,通过雷电先导发展过程中空间电场的计算,得出了先导向空间各可能击穿点发展的概率分布,实现了雷电先导发展过程的分形生长。基于分形先导发展模型,还给出了超特高压输电线路绕击耐雷性能的评估方法,结合雷电流空间概率分布和由分形先导模型计算得出的绕击概率分布,可计算得出输电线路的绕击率。此方法在±800kV特高压输电线路上的绕击耐雷性能评估中的应用表明,该方法不仅能获得较精确的绕击率,同时使先导发展过程中既保持了沿最大场强发展的概率最大这一确定性因素,也呈现了先导发展的随机性因素。

雷电先导放电的三维数值模拟与应用

雷电先导放电的数值模拟是反映雷电先导发展和雷击规律的一种重要手段。为提高雷电先导放电三维数值模拟的空间分辨率,将修正的介质击穿模型与计算区域的边界条件相结合,建立了一种具有双概率指数和双击穿发展阈值的雷电双向先导发展概率模式,实现了雷电先导放电在50m空间分辨率的三维数值模拟。通过比较自然界中雷电放电与模拟结果的分形维数和先导临近时地面电场峰值的增强情况,验证了该模拟方法的合理性。最后应用上述数值模拟技术,并结合数值内插方法建立了地面防雷装置防护性能的评估模型(空间分辨率为1m),分析了单根避雷针系统附近的雷击概率分布及其保护范围,其结果与折线法规定的保护范围基本一致。

同轴圆柱SF_6气体间隙直流绝缘特性及其影响因素

同轴圆柱是直流SF6气体绝缘设备的基本结构,研制了不同间隙长度和不同气体压力下直流SF6气体绝缘特性基础研究平台,通过试验研究建立了长间隙同轴圆柱SF6间隙直流击穿电压计算模型,对影响间隙直流绝缘特性的表面粗糙度、金属导电微粒、电极表面积大小进行了试验研究和分析。由与直流气体绝缘设备的电场不均匀系数和表面粗糙相似的电极得出的击穿电压计算模型,可为SF6气体间隙绝缘优化提供依据。

基于分形理论的直升机雷击附着位置数值分析

进行飞机防雷设计的第一步即为确定飞机的雷击附着位置。提出了一种基于分形先导发展模型的直升机初始雷击附着位置数值分析方法。首先对先导发展模型进行了描述,分析了雷电下行先导电荷分布及发展规则、迎面先导起始判据及发展规律、最终击穿条件等;并根据分形理论,采用电介质击穿模型中的概率发展方式来决定下行先导的发展方向。然后,根据标准SAE-ARP 5416A中规定的相关试验方法对仿真环境中各项参数的选择进行了讨论,包括极板尺寸、直升机与极板之间的距离等。最后,利用所提出的方法对UH-60"黑鹰"进行仿真,得到了其初始雷击附着位置。

地闪先导放电三维数值模拟

为探索地闪先导放电规律以满足新型雷电防护理论与技术研究的需要,在Amoruso和Lattarulo提出的带电圆盘雷云荷电解析模型框架下,利用三维WZ模型构造了地闪先导放电数值模拟算法,第一次实现了50m空间分辨率的地闪先导放电三维数值模拟.在解析模型框架下,求解空间大幅缩小,使高分辨率模拟成为可能.模拟过程中采用了SOR法求解七点差分格式的拉普拉斯方程,提出了双概率指数建模思想,对WZ模型进行了修正,反映了真实先导主通道的延伸性与丰富分岔的分形特征.进行了不同发展阈值下的模拟实验,得到了精细的地闪双向先导三维放电图样与先导激励下的地面电场分布,结果在一般观测范围内.