非接触式静电放电波形分析及试验

赵 丹 吴桂林 朱继芳 黄 昀

(1.四川航天计量测试研究所，四川成都 610100；2.四川航天技术研究院，四川成都 610100)

1 引 言

静电放电作为一种常见的近场危害源，在其放电过程中可形成瞬时高电压和瞬时大电流，使得器件的安全性能大大下降，并影响半导体器件的电学特性[1,2]。在工业制造和航天领域等方面，产生静电放电不仅会对电子系统和相关电气设备造成损害，而且电气化设备以及人体间的高电压，容易产生火花放电，会对人体的安全造成威胁。特别是在火工品制造领域，静电造成的火工品放电，容易引起火工品发生爆炸事故，因此需对火工品进行静电火花感度试验。

放电方式主要分为接触式放电和非接触式放电。接触式放电的重复性较好，相关的研究比较成熟，GB/T 17626.2—2018规定了接触式放电的波形及校准方法[3]；由于非接触式放电受到外部火花通道、放电电压的大小与极性、气体压强、环境温湿度、电极接近速度等因素的影响，放电重复性比较低[4]。火工品静电火花感度试验属于非接触式放电，本文依据火工品静电感度试验方法，对试验装置静电放电进行理论分析，建立等效电路模型，并根据等效电路模型进行仿真，研制相关试验装置，通过非接触静电放电试验，验证不同电阻电容对静电放电波形的影响，同时研究提高非接触式静电放电试验重复性的方法。

2 非接触式静电放电波形理论分析

2.1 试验装置理论模型

静电感度试验装置放电试验时，放电回路主要由储能电容、放电电阻以及放电间隙组成，因此放电回路等效电路模型分为两部分，分别为静电感度试验装置储能部分等效电路模型和放电间隙的等效电路模型。

1)储能部分等效电路模型

静电感度试验装置等效电路的储能部分由选用的储能电容和放电电阻来描述。

由于放电时间在纳秒级，储能电容与放电电阻使用在高频情况下。在高频下，储能电容元件有一些由引线导致的接线电阻和分布电感引起的介质损耗。电容等效电路如图1所示。其中分布电感大小一般为(0.01～0.1)μH。

放电电阻在高频情况下，需考虑电阻元件的引线电感和分布电容的影响，其简单的等效电路如图2所示。其中非绕线电阻的引线电感一般为(0.01～0.1)μH。

图2 电阻等效电路图

2)放电间隙的等效电路模型

根据相关文献描述有两种描述火花电阻的模型，分别为Rompe—Weizel模型和Toepler模型。经过理论试验研究表明，以Rompe—Weizel为原则假设的模型，能更好的说明火花放电能量及放电过程[5]。Rompe—Weizel定理是用来描述放电电流、通道阻抗、放电弧长之间关系[6]。一定时间内进入放电通道的电能量的多少影响着电弧的长短，即电能量决定电弧长度的长短，他们之间是一个正比例的关系。另外电弧发生是有一定的条件的，只有高于某个值(临界值)，电弧才会发生。由式(1)可以看出，通道阻抗正比于放电弧长，与放电电流成反比关系，因此仿真分析时要预估一个通道阻抗[7]。

(1)

式中：R(t)——微小放电间隙的总阻抗，Ω；d——微小间隙放电弧长，m；α——放电火花常数，其值为(0.5-1)×10-4m2/V2。

2.2 仿真结果

依据Rompe—Weizel定理，放电通路的电阻与放电电流、放电弧长有关，因此放电回路的阻值依据实测电流情况进行调整。采用电路仿真软件，搭建等效电路模型，如图3所示，并进行仿真分析。等效电路中储能电容储存的能量等效为一个阶跃信号，上升时间设置为25ns，电压设置为5kV，仿真结果如图4所示，峰值电流为52.4A，上升时间为6.02ns，脉宽为24.2ns。

图3 静电感度试验装置放电试验等效电路图

图4 500pF，5kΩ的放电仿真波形图

3 试验装置

3.1 组成及工作原理

火工品静电感度试验装置依据GJB 5309.14—2004火工品试验方法第14部分静电放电试验工作原理进行设计[8]。火工品静电感度试验装置组成如图5所示，装置主要由高压源、充放电开关、放电电阻、储能电容、放电电极、电流靶和示波器组成。工作原理为控制器控制高压电源输出高压，给储能电容充电，待充满电后，控制充放电开关切换至放电状态，电容储存的能量经放电电阻到放电电极，若发生静电放电，电流靶采集放电电流，示波器显示电流波形。

图5 火工品静电感度试验装置组成框图

3.2 组件选型

根据火工品静电放电的试验GJB 5309.14—2004中的要求，试验采用的静电感度仪放电电容为500pF、放电电阻为5kΩ，因此该试验装置选用耐压40kV的高压电容，选用阻值为5kΩ的无感电阻。

高压电源选用的是MRA系列高压电源模块，该高压电源输出可达30kV，输出电流最大为3.3mA，具有RS232隔离数字通信、高速模式、异常自诊断等功能，同时该高压电源模块具有外形尺寸小、重量轻的优点，能使试验装置小型化。

充放电开关应具有耐高压，响应速度快等优点，对比各厂家继电器，最终选用G61LC真空继电器，可耐高压35kV，接触电阻为1Ω，开关时间为15ms。

电流靶即电流传感器，选用ESD-CALA电流靶进行试验，电流靶的结构依据GB/T 17626.2—2018的规定进行设计。该电流传感器内部由很多电阻组成，这些电阻经过特殊的排列，最终等效为一个2Ω电阻，这种结构可以保证电流传感器具有良好的高频特性，满足至少1GHz以上的工作频率范围的要求。放电电极对放电靶中心放电，信号从电流传感器的另一端输出后经过同轴电缆馈入示波器输入端。

示波器选用泰克MSO64高速示波器，该示波器具有8GHz的带宽，高达25GHz/s的采样率，满足放电波形的采集要求，可同时测量四个通道的信号，具有USB3.0、以太网等通信接口。

4 非接触式静电放电试验

4.1 提高试验重复性试验

非接触放电试验中放电间隙、放电位置的不确定性，导致放电试验的重复性差。为了提高非接触放电试验的重复性，对试验环境的温度、湿度进行控制，并采取三种改进措施提高试验重复性。通过多次放电试验，采集放电电压、电流，采用电压、电流与时间的积分计算放电能量，根据能量值的分散性，分析改进措施对放电试验重复性的影响。

试验接线如图6所示，控制环境温度为20℃±2℃，环境湿度为50%RH±5%RH，采用圆锥状的电极进行放电试验。提高放电重复性的措施如下：

图6 瞬态能量采集试验接线示意图

1)两次试验间隔时间分别为1min和2min；

2)两次试验之间放电电极增加接地操作；

3)在放电空隙中增加绝缘间隙板控制放电路径。

电流探头和电压探头接入示波器，设置高压电源输出为5.2kV，放电电阻和电容组合为5kΩ与10nF。根据帕邢定理设置其放电距离为3.1mm，两次试验间隔为1min和2min，每组试验次数大于50次，试验结果情况如图7和图8所示，试验结果见表1。

图7 间隔1min能量分布图

图8 间隔2min能量分布图

表1 不同时间间隔试验结果Tab.1 Test results of different time intervals平均值/J10%误差范围概率20%误差范围概率方差/J试验次数间隔时间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

根据试验结果进行分析，从三次试验数据中看，放电间隔2min的数据分散性比间隔1min的分散性小，因此重复性好，但是平均值的10%误差范围内的概率小于50%，因此继续采取提高试验重复性的措施。在两次试验间隔为2min过程中对放电端子进行接地操作，试验结果见表2。

表2 接地操作后的试验结果Tab.2 Test results after grounding operation平均值/J10%误差范围概率20%误差范围概率方差/J试验次数0.2570.601.00.0276200.2740.780.900.0267200.2630.680.920.027320

根据试验结果进行分析，进行接地操作后，平均值的10%误差范围内的概率增加，但未超过80%，因此继续采取提高试验重复性的措施，在放电空隙中增加绝缘间隙板，以控制其放电路径，试验结果见表3。

表3 增加绝缘间隙板后试验结果Tab.3 Test results after adding insulating gap plate平均值/J10%误差范围概率方差/J试验次数0.4020.90.0245200.4041.00.0252200.4050.920.025520

根据试验结果进行分析，在放电空隙中增加绝缘间隙板控制放电路径后，平均值的10%误差范围内的概率增加，且超过80%，甚至达到100%，因此提高了非接触式放电试验的重复性。最终确定非接触式放电试验条件为：环境温度为20℃±2℃，环境湿度为50%RH±5%RH，两次试验间隔为2min以上，且放电后放电端进行接地，清除剩余电荷，放电空隙之间增加合适尺寸的绝缘间隙板，控制放电路径。

4.2 放电波形试验

根据非接触式放电试验的方法，采用不同的放电电容与放电电阻进行组合，进行放电试验，试验中采集放电电流的峰值、电流脉宽和上升时间。放电电阻设置为5kΩ，更改储能电容分别为500pF，1000pF，10nF，100nF，部分放电试验的电流波形如图9和图10所示，试验结果见表4。

图9 500pF，5kΩ的放电波形图

图10 100nF，5kΩ的放电波形图

表4 不同电容的试验结果Tab.4 Test results of different capacitance间隙/mm电压/kV储能电容放电电阻电流峰值/A上升时间/ns脉宽/ns35.08500pF5kΩ50.756.8524.5234.981000pF5kΩ48.427.1224.4535.2410nF5kΩ54.417.0424.2136.12100nF5kΩ62.626.8123.64

根据试验情况分析：在放电电阻不变，储能电容值增加的情况下，其放电波形一致；随着电容值的增加，其放电电流波形的上升时间、脉宽没有明显变化趋势，放电电流波形的上升时间差异最大为3.9%，脉宽差异最大为3.7%；电流峰值与放电端两端的电压成正比关系。由于试验时的电压值为采集的放电端的实际放电电压值，因此会有不同。

综上所述：在放电电阻不变，储能电容增加的情况下，其放电波形一致，放电电流波形的上升时间、脉宽没有明显变化趋势，差异不超过±10%，但电流峰值与放电端两端的电压成正比。说明储能电容变化，对放电电流的影响较小，但放电电压与电流峰值成正比。

将图4与图8相比，电流波形趋势一致，仿真的峰值电流为52.4A，上升时间为6.02ns，脉宽为24.2ns，而试验结果的峰值电流为50.75A，上升时间为6.85ns，脉宽为24.52ns。其峰值电流差异为3.2%、上升时间差异为12%，脉宽差异为1.3%，仿真结果与实际试验的试验结果相比，峰值电流与脉宽差异较小，而仿真时设置阶跃信号的上升时间导致两者上升时间差异较大，因此仿真能体现试验的峰值电流和脉宽的实际情况。

放电电容设置为10nF，更改放电电阻分别为500Ω，1kΩ，1.5kΩ，5kΩ，部分放电试验的电流波形如图11和图12所示，试验结果见表5。

图11 10nF，500Ω的放电波形图

图12 10nF，1.5kΩ的放电波形图

根据试验情况分析：在储能电容不变，放电电阻值增加的情况下，其放电波形一致；随着电阻值增加，电流峰值没有明显变化趋势，最大差异为3.0%；上升时间与放电电阻成正比关系，差异最大

表5 不同电阻的试验结果Tab.5 Test results of different resistance间隙/mm电压/kV储能电容放电电阻电流峰值/A上升时间/ns脉宽/ns35.2710nF500Ω51.416.7725.9735.1810nF1kΩ51.926.8425.5735.0810nF1.5kΩ51.826.8625.1835.2410nF5kΩ52.967.0424.21

为4.0%；脉宽与放电电阻成反比关系，差异最大为-6.8%。

综上所述：在储能电容不变，放电电阻值增加的情况下，其放电波形一致，电流峰值没有明显变化趋势，其放电电流波形的上升时间与放电电阻成正比，脉宽与放电电阻成反比，但误差均不超过±10%，说明放电电阻的高频特性差别较小，对放电波形的影响较小。

5 结束语

本文研究火工品静电放电试验装置，并对该装置非接触式静电放电时的等效电路模型进行分析，并通过该等效电路，采用仿真软件对放电试验进行仿真。由于非接触静电放电试验的放电重复性比较低，本文采取相关措施提升了试验的重复性。

确定试验条件后，针对电容与电阻的不同组合进行放电试验，试验表明：试验结果与仿真结果相比差异较小，电流波形趋势一致；不同电容相同电阻的配置下，放电波形一致，储能电容变化，对放电电流波形的上升时间和脉宽的影响较小，但放电电压与电流峰值成正比；相同电容与不同电阻的配置下，其放电波形一致，电流峰值没有明显变化趋势，其放电电流波形的上升时间与放电电阻成正比，脉宽与放电电阻成反比，但误差均较小，说明放电电阻的高频特性差别较小，对放电波形的影响较小。