《电介质物理》课件电介质的击穿.ppt

1 工程电介质物理学 电介质的击穿 4 BreakdownofDielectrics李建英2012年4月 5月 2 上节课小结 气体介质的击穿 1 负电性气体的击穿自持放电的判据 2 极不均匀电场中气体的击穿电晕起始电压 针为正极性时高击穿电压 针为负极性时高 3 液体介质的击穿高纯度液体的击穿理论 碰撞电离气泡击穿理论 热化气 电离化气杂质击穿理论 水桥 固体杂质小桥模型 判据 碰撞电离开始 判据 碰撞电离发展到一定程度 3 4 固体电介质的击穿 一 概述 与气体 液体介质相比 固体介质的击穿有何不同 固体介质的击穿场强较高击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹 如烧焦或溶化的通道 裂缝等 去掉外施电压 不能自行恢复绝缘性能 击穿形式 热击穿电击穿不均匀介质局部放电引起击穿 固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系 4 一 热击穿 由于电介质内部热的不稳定过程所造成的 影响因素 与材料的性能有关绝缘结构 电极的配置与散热条件 及电压种类 环境温度等有关 因此热击穿强度不能看作是电介质材料的本征特性参数 二 电击穿 在较低温度下 采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下 进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象 5 主要特性 击穿场强高 大致在5 15MV cm范围 在一定温度范围内 击穿场强随温度升高而增大 或变化不大 反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度仅与材料的化学组成及性质有关 材料的特性参数之一 又称为耐电强度或电气强度 三 不均匀电介质的击穿 包括固体 液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式 击穿往往是从耐电强度低的气体中开始 表现为局部放电 然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大 致使介质击穿 6 二 固体电介质的热击穿 一 瓦格纳热击穿理论 瓦格纳热击穿模型 设固体介质置于平板电极a b之间 该介质有一处或几处的电阻比其周围小得多 构成电介质中的低阻导电通道 设通道的横截面积S长度为d导电率 直流电压U 单位时间产生的热量 单位时间散出的热量 散热系数 又 导电通道在温度t0时的电导率 温度系数 7 发热与散热曲线 是温度的函数 所以发热量Q1也是温度的函数 因此对于不同的电压U值 Q1与t的关系是一簇指数曲线 曲线1 2 3分别为在电压U1 U2 U3 U1 U2 U3 作用下 介质发热量与介质导电通道温度的关系 而散热量Q2与温度差 t t0 成正比 如图中曲线4所示 8 在切点t应满足以下两个条件 将5 54 55 56代入上式 考虑到 热击穿临界电压 0是0 时导电通道的电阻率 瓦格纳热击穿理论适用条件 瓦格纳热击穿理论适用于一些固体介质中存在有电阻率比其周围小得多的通道的情况 如绝缘纸 橡胶等材料 对于玻璃 石英等较均匀的介质 瓦格纳理论显然就不适用了 此外 瓦格纳理论中有关导电通道的本质 大小电导率和散热系数等均是未知数 要用它来计算固体介质的热击穿电压还是困难的 9 二 均匀固体电介质热击穿电压的确定 单侧散热无限大一维平板介质模型 厚度为d的无限大平板介质处于平行板电极之间 材料结构是完全均匀的 设只有右侧电极向周围散热 导热系数K 单位时间内流经x处单位面积的热量 负号表示热量向温度降低方向流动 单位时间内流经x dx处单位面积的热量 包括散热 发热和温升在内的热平衡方程 考虑到介质材料通常是在长时间作用的交 直流电压或短时间的脉冲电压下工作 可以近似化为两种极端情况来讨论方程式 电压作用时间很短 散热来不及进行的情况 脉冲热击穿电压长时间作用 介质内温度变化极慢的情况 稳态热击穿 10 1 脉冲热击穿 电场作用时间很短 导热过程忽略 如知道E E t 及 E T 即可求得临界温度时的热击穿场强 假设脉冲电场为斜角波形电场 Ec 热击穿场强 tc 至击穿的时间 电场不太强时 由上面几式可得 分离变量并积分 在环境温度不高时 热击穿临界场强 tc和T0的影响 11 2 稳态热击穿 在外施电压U0作用下 在介质处于稳定状态时 电场强度E d dx 则电流密度 代入上式得 为简化 仅讨论散热条件极好 电极温度始终等于周围环境温度T0的情况 此时介质中心x 0处温度最高 计为Tc x 0处 dT dx 0 代入 12 积分得热击穿临界电压 且假定介质的导热系数为常数 即K T K 得 若环境温度不高时 T0 Tc T0 由于U0c随T0升高而增大远不如随e1 T0降低快 所以近似为 A 与材料有关的常数 分析 热击穿电压与温度的关系 电阻率 热击穿电压的实验判据 13 热击穿电压与频率的关系 热击穿电压与厚度的关系 与厚度无关 晶体岩盐热击穿电压 电阻率与温度的关系1 热击穿电压2 电阻率 两式比较 lgU0C 1 T0与lg 1 T0都是直线关系 仅两条直线的斜率相差一倍 图与理论相吻合 常用这一关系作为热击穿的实验判据 14 热击穿电压与频率的关系式 A 常数 当所加电压为交变电压时 上式中的 为固体介质的有效电阻率介质在交变电压下的有效电阻率比直流电阻率要小 因此交流热击穿电压通常低于直流热击穿电压 根据上式 交流热击穿电压与电介质有效电阻率的平方根成正比 而有效电阻率又与电介质的介电常数 r 损耗角正切tg 及电压频率f成反比 玻璃热击穿场强与频率的关系 可见热击穿场强随频率升高而降低 这是由于电介质的损耗随频率的升高而增大 当所加电压的值相同时 电介质的发热随频率而增加 致使热击穿场强下降 热击穿电压与电介质厚度无关 电介质厚度增大时 热击穿场强表现出降低的趋势 15 三 固体电介质的电击穿 理论基础 气体放电的碰撞电离理论 又 估算得 晶格质点 不能自由热运动 只能在晶格平衡位置上做微小振动 这些热振动相互关联 形成一系列频率的晶格振动 以波的形式在固体介质中传播 晶格波 电子与晶格波的相互作用 电子可以失去能量 而被制动 电子从晶格波得到能量而进一步加速 只有在电场很强时 电子才可以获得引起碰撞电离的能量 16 在强电场下固体导带中可能因场致发射或热发射而存在一些导电电子 这些电子在外电场作用下被加速获得动能 同时在其运动中又与晶格振动相互作用而激发晶格振动 把电场的能量传递给晶格 1 当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时 固体介质有稳定的电导 2 当电子从电场中得到能量大于损于给晶格振动的能量时 电子的动能就越来越大 当电子能量大到一定值后 电子与晶格振动的相互作用便导致电离产生新电子 自由电子数迅速增加 电导进入不稳定阶段 击穿开始发生 碰撞电离理论 本征电击穿理论 碰撞电离开始作为击穿判据 雪崩击穿理论 碰撞电离开始后 电子数倍增到一定数值 足以破坏电介质结构为击穿判据 按击穿判定条件不同 电击穿理论可分为两大类 本世纪30年代 Hippel和Frohlich以固体物理为基础 量子力学为工具 发展起来了固体电介质电击穿的碰撞电离理论 17 一 本征电击穿理论 在电场E的作用下 电子被加速 它的平均速度为 电子单位时间从电场获得的能量 松弛时间 与电子能量有关 晶格振动的能量是量子化的 声子 电子放出声子的概率总大于电子吸收声子的概率 所以电子给予晶格振动的能量总大于它们从晶格振动获得的能量 设单位时间内电子与晶格振动相互作用为1 次 则电子单位时间中损失给晶格振动的能量为 晶格振动与温度有关 上式可改写为 使该式成立的 为击穿场强 18 本征电击穿理论又分为单电子近似和集合电子近似两种理论 单电子近似理论 假设 略去电介质中导电电子间的相互作用 用强电场下单个电子的平均特性来求取击穿场强 把导电电子与晶格振动的相互作用 看成是对晶格周期势场的微扰 解出相互作用概率 然后通过能量平衡方程求出临界击穿场强 平衡点随着场强的增加向电子能量减小的方向移动 即场强增大 到达平衡时电子具有的能量减小 19 1 Hippel低能电击穿判据 低能电子 希伯尔电击穿临界条件意味着 低能电子单位时间从电场获得的能量超过最大的能量损耗 才能导致碰撞电离的发生 当然能量大于的其他电子 也一定可以从电场得到足够的能量而引起碰撞电离 希伯尔认为击穿是由低能电子造成的 故称为低能判据 20 2 Frohlich高能电击穿判据 以电子能量u u1时的平衡条件作为击穿的临界条件 Frohlich临界击穿场强 晶格电离能 得 Frohlich认为 晶体导带中的电子是按能量以一定几率分布的 具有各种能量的电子都以一定几率存在 其中大多数电子能量较低 少数是高能量电子 如果加速附近的电子 就能引起碰撞电离 Frohlich认为击穿是由高能电子造成的 故称为高能判据 21 Hippel和Frohlich判据的区别 Hippel 电场开始加速 的低能电子引起的 这电场可以加速几乎所有 充分条件 高 Frohlich 电场开始加速能量接近 的高能电子引起的 这电场可以加速少 部分电子 必要条件 低 表5 10中 的电子 由实验规律知 电击穿在T0较低时 这是因为低温时 含杂质晶体或非晶态电介质中 存在于杂质能级上的电子很少 它们之间的相互作用可以忽略不计 但高温时 杂质能级激发态上的电子数目增多 不仅同导电电子相互作用 且自相作用 形成电子系 22 集合电子近似理论 由Frohlich针对无定形固体电介质的高温击穿提出来的 以nC nS和nD分别表示导带 浅陷阱和深陷阱上的电子数 假设 则有 导带底部和浅陷阱底部附近能级密度之比 单位时间自由电子获得能量为 能量损失主要是由杂质能级激发态上电子传给晶格 它是由吸收和放出声子来实现的 A B都是通过杂质能级激发态上的电子数nS来实现的 平衡关系 T0 晶格温度 Te 电子系温度 23 能量增益速率A B能量损失速率与电子系温度Te的关系 由图中可以看出 电子系从电场获得的能量随电子系温度升高而迅速增大 而传递给晶格的能量也随电子系温度升高而增加 但增加速率愈来愈慢 Ec 集合电子近似的临界击穿场强 解得 上式表明 随着晶格温度T0的增加 击穿场强Ec下降 这与固体电介质的高温电击穿场强随着电介质温度升高而下降的实验规律是一致的 24 场致发射击穿 2 雪崩击穿理论 根据雪崩激励的不同 分为 场致发射击穿碰撞电离雪崩击穿 价带向导带场致发射电子 电子雪崩 向晶格注入能量 if 临界温度 导致击穿 场致发射击穿 Zener 用量子力学计算 FranZ 再修正 应用脉冲热击穿的标准作为临界条件 忽略传导热 25 电离能 即禁带宽度 至击穿的时间 式中I的单位为eV tc单位为 s 对于大多数电介质来说 I约为2 7eV 在加压时间为 s的宽广范围内 上式给出的临界击穿场强为109V m 碰撞电离雪崩击穿 基础 导带中的电子 发生碰撞电离 由阴极向阳极发展 形成电子雪崩 当电子雪崩区域达到某一界限时 晶格结构被破坏 固体发生击穿 26 SeitZ单电子理论 根据SeitZ理论 一个由阴极出发的初始电子 在其向阳极运动过程中 1cm内大致发生40次的碰撞电离 固体电介质即可破坏 崩头的扩散长度 体积 原子数 若要破坏晶格 每个原子只需要10eV的能量 则体积V内需要的能量为1018eV n 10 6cm3 1023 cm3 1017 D 1cm2 s N 1023 cm3 27 走1cm后 电子获得能量为106eV 需要的电子数为1012个 电子一代撞击产生两个电子 经n代碰撞 共有电子数2n 由 n 40 40代理论 注意 这种击穿的特征是击穿场强具有低温区的特性 且击穿场强随试样厚度减薄而增加 进行推论 当介质厚度很薄 碰撞电离不足以发展到四十代 电子崩已进入阳极复合了 介质就不易击穿 即击穿场强将要提高 工程上使用薄膜即为此理论的应用 28 小结 固体介质的击穿 热击穿 非本征 电击穿 本征 不均匀介质的击穿 瓦格纳热击穿 低阻通道 均匀固体热击穿 脉冲热击穿 稳态热击穿 T f d的影响 本征电击穿 雪崩电击穿 单电子近似理论 集合电子近似理论 低能判据 高能判据 场致发射击穿 碰撞电离雪崩击穿 40代理论