高壓放大器在方波脈沖電場(chǎng)下聚酰亞胺空間電荷中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：方波脈沖電場(chǎng)下聚酰亞胺空間電荷的直接檢測(cè)技術(shù)研究

研究方向：聚酰亞胺薄膜因其優(yōu)異的電氣性能，在變頻調(diào)速電機(jī)絕緣系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。然而，方波電場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)的快速過(guò)程（ns-μs級(jí)）給直接檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)部空間電荷帶來(lái)挑戰(zhàn)。本文采用電聲脈沖法，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了方波電場(chǎng)下空間電荷的直接動(dòng)態(tài)檢測(cè)，相位分辨率達(dá)1.79°，并降低了電壓波形失真。研究發(fā)現(xiàn)，未熱處理的聚酰亞胺在直流電場(chǎng)下存在雙載流子注入和深陷阱注入，導(dǎo)致空間電荷長(zhǎng)時(shí)間積聚。而在方波電場(chǎng)下，空間電荷主要來(lái)自下電極鋁板注入的同極性電荷，電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)可快速抽出，無(wú)明顯積累。熱處理可能破壞聚酰亞胺分子鏈，影響表面形貌并增大高頻段介電常數(shù)，但對(duì)耐擊穿性能影響不明顯。熱處理減弱了直流電場(chǎng)下的正極性電荷注入，加速了空間電荷耗散，但對(duì)方波電場(chǎng)下的空間電荷分布影響有限。此外，上升沿時(shí)間在100μs-1000μs范圍內(nèi)對(duì)空間電荷積累量和位置分布基本無(wú)影響。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>方波脈沖電場(chǎng)下聚酰亞胺空間電荷的直接檢測(cè)

測(cè)試設(shè)備：函數(shù)發(fā)生器，高壓放大器，高壓高頻脈沖源，分壓器，數(shù)字示波器，計(jì)算機(jī)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：輸出信號(hào)設(shè)置為方波波形時(shí)，頻率范圍為1μHz至50MHz，方波上升沿下降沿時(shí)間不超過(guò)5ns。雙通道函數(shù)發(fā)生器一路輸出頻率和幅值均可調(diào)的任意周期電壓信號(hào)，經(jīng)高壓放大器后施加到待測(cè)試樣上。高壓放大器最高輸出電壓為20kV,函數(shù)發(fā)生器另一路輸出周期性的TTL時(shí)間信號(hào)，同時(shí)控制高壓高頻脈沖源產(chǎn)生脈沖激勵(lì)和觸發(fā)數(shù)字示波器采集。高頻高壓脈沖源也為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)裝置，設(shè)置為在TTL上升沿時(shí)觸發(fā)，每次觸發(fā)輸出一個(gè)脈寬可調(diào)（5ns-20ns）的高頻脈沖激勵(lì)，脈沖幅值最大可達(dá)2.5kV，重復(fù)頻率最高為3kHz。高壓脈沖經(jīng)保護(hù)電容耦合到被測(cè)試樣上，保護(hù)電容的最主要作用是防止高壓放大器輸出傳遞到脈沖源測(cè)造成設(shè)備損壞。示波器采用具備大數(shù)據(jù)量保存功能的數(shù)字示波器，也采用TTL上升沿觸發(fā)，這樣就可保證每次脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的空間電荷信號(hào)都能被保存下來(lái)。PEA電極系統(tǒng)是由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)搭建的系統(tǒng)，其中上電極材料為半導(dǎo)電，下電極采用鋁電極。PVDF壓電傳感器將電荷受激振動(dòng)產(chǎn)生的聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)放大器傳送到示波器進(jìn)行讀取和保存，示波器同時(shí)記錄該時(shí)刻施加到試樣上的電壓以便后期數(shù)據(jù)處理。

圖1-1：實(shí)驗(yàn)流程框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：本文中方波電場(chǎng)頻率fa=50Hz，根據(jù)AEPS原理的特征方程，將脈沖激勵(lì)的頻率設(shè)置為fp=2010Hz，則出現(xiàn)檢測(cè)相位重復(fù)的最少方波周期數(shù)Na為5，該時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的脈沖數(shù)Np為201，根據(jù)相位分辨率公式(2-4)可知相位分辨率Δ'約為1.79°。通過(guò)圖可以更好的說(shuō)明AEPS的測(cè)量原理。方波頻率為50Hz，脈沖激勵(lì)頻率為2010Hz，則在一個(gè)方波周期里有2010/50=40.2個(gè)脈沖激勵(lì)，一個(gè)方波周期里包含有40個(gè)不重復(fù)的脈沖激勵(lì)。假設(shè)第一個(gè)方波周期開(kāi)始時(shí)脈沖在0°相位位置，那么第41個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的方波相位為41/2010*50*360=367.16°，也即7.16°。從41至80這四十個(gè)脈沖信號(hào)都對(duì)應(yīng)在第二個(gè)方波周期里，且與第一個(gè)周期里的脈沖對(duì)應(yīng)的相位都不重復(fù)。類(lèi)似的第81個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位為5.37°，第121個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位為3.58°，第161個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)1相位

圖1-2：方波電場(chǎng)下AEPS采集示意圖

產(chǎn)品推薦：ATA-7100高壓放大器

圖：ATA-7100高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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