典型电子器件雷电电磁脉冲累积效应研究

龙中权，付继伟，陈 曦，齐 欢

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

电气设备在强电磁脉冲作用下，可能同时存在累积效应和效应随机性[1,2]。早期曾有研究认为，半导体器件内的强电场大电流可能先造成不明显影响实际功能的微小损伤，但多次脉冲累积会导致失效。而另一方面，欧洲抗高空电磁脉冲标准的研究者Sabath在文献中假设电磁脉冲对器件的效应具有一定的随机性，即每次电磁脉冲作用于器件，损伤的发生有一定随机性，从而认为试验次数应足够多以确保可能的损伤发生[3～5]。尽管有上述定性探讨，但目前公开的文献上对累积效应和效应的随机性鲜有量化的研究结果报道。

设备级、系统级雷电电磁脉冲试验一般来说应一方面足够多，以便使带有随机性的损伤发生的概率达到规定的置信度，另一方面不宜过多，以免累积效应导致的类似疲劳的损伤。针对常用的几种典型组件，以试验的方式，统计失效阈值与试验次数的量化关系，提取累积效应与效应随机性的量化规律，为设计电气设备及系统抗雷电电磁脉冲试验的试验次数提供理论与数据支撑。

1 试验方案

1.1 数字量输入模块电磁脉冲累积效应试验方案

1.1.1 被试件状态

被试电路为数字开关量，采用IRF520N场效应管；电磁脉冲从场效应管的D极、S极之间注入，注入过程中，场效应管不加电。典型数字开关量电路如图1所示。

图1 典型数字开关量电路 Fig.1 Typical Digital Input Circuit Module

1.1.2 试验方法

a）试验前检测电路功能是否正常（在GS间加偏置电流，连接负载及电源，观察负载上显示的电压及电流值：Vin=24 V，限流1.1 A，负载限流1 A）。

b）被试品检测正常后，脉冲施加在D极、S极之间（注入）。

c）每次脉冲注入后，按照上述方法检测电路工作是否正常。

1.1.3 试验注入量级

a）单次脉冲，两次电磁脉冲电压峰值间隔1.5 dB（研究单次脉冲，不同量级的累积效应）。

分别对每个电路按照单次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……进行注入，注入后测试电路是否失效，按顺序依次增加，直至失效。

具体施加的电压幅值由摸底试验后，根据失效阈值确定起始注入电压，样本数：20个。

b）10次脉冲，两次电磁脉冲电压峰值间隔1.5 dB（研究多次脉冲的累积效应）。

一个量级注入10次脉冲，每个脉冲注入后测量电路是否失效，按顺序依次增加，直至失效。

具体施加的电压幅值由摸底试验后，根据失效阈值确定起始注入电压，样本数：20个。

c）10次脉冲，间隔3 dB（研究多次脉冲的累积效应，减少前次脉冲对损伤阈值的影响）。

分两组，每组间隔1.5 dB；

第1组：100 V、141 V、200 V、282 V、……

第2组：119 V、168 V、238 V……

一个量级注入10次脉冲，每个脉冲注入后测量电路是否失效，按顺序依次增加，直至失效。

具体施加的电压幅值由摸底试验后，根据失效阈值确定起始注入电压，样本数：各20个，共40个。

试验次数设置方案如表1所示。

表1 数字量输入端口试验条件 Tab.1 Test Conditions of Digital Input Circuit Module

1.2 模拟量输入模块电磁脉冲累积效应试验方案

1.2.1 被试件状态

被试品采用OP37模拟放大电路，电磁脉冲从放大电路的输入端注入，注入过程中，模拟放大电路不加电。

1.2.2 试验方法

a）试验前检测电路功能是否正常（给放大器加电源使其工作，在模拟放大电路输入端加测试电压，在模拟放大电路输出端测试输出信号，调节放大按钮开关，观察模拟电路输出信号是否随输入信号的变化而变化）；

b）被试品检测正常后，电磁脉冲施加在模拟电路的输入端（注入）；

c）每次脉冲注入后，按照上述方法检测电路工作是否正常。

1.2.3 试验注入量级

根据正式试验前的摸底结果，OP37模拟放大电路在电磁脉冲源电压峰值输出1700 V注入下（对应施加到电路输入端的电压约为750 V），电路出现损伤效应。所以，本次试验使用的模拟放大电路耐压强度按照脉冲场峰值电压750 V进行试验，样本数均为10个，共分为3种状态：

a）10次脉冲，两次电磁脉冲电压峰值间隔3 dB（第1组）。

分别对每个电路按照10次300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V、2400 V……进行注入，一个量级注入10次脉冲，每个脉冲注入后测量电路是否失效，按顺序依次增加，直至失效。

b）10次脉冲，两次电磁脉冲电压峰值间隔3 dB（第2组）。

分别对每个电路按照10次360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V、2856 V……进行注入，一个量级注入10次脉冲，每个脉冲注入后测量电路是否失效，按顺序依次增加，直至失效。

c）多次脉冲（直至失效），幅值为常值，待定（根据上述试验结果确定）。

根据前面试验结果，选定一常值电压，重复多次，直至放大电路失效，研究同一量级下的累积效应。

试验次数设置方案如表2所示。

表2 模拟量输入端口试验条件 Tab.2 Test Conditions of Analog Input Circuit Module

1.3 模拟量输出模块电磁脉冲累积效应试验方案

1.3.1 被试件状态

模拟量输出模块在与工业以太网耦合器连接状态下工作，试件应在加电状态下进行试验，输出端无负载。每个模拟量输入端子模块有4个独立且相同的输入端口，因此作为4个独立的试件。每次脉冲注入后用TwinCAT软件测试功能是否正常。

1.3.2 试验方法

试验中脉冲源为直流高压源，施加的脉冲类型分为3类：单脉冲，10脉冲间隔6 dB，10脉冲间隔3 dB。

电压峰值设置为从500 V开始，对每一个模块的第1个端口注入单脉冲，电压幅值以6 dB递增，直至出现损坏现象，记下损伤时和损伤前次的注入电压Uin、注入端电流Iin和输出电压Uout。

电压峰值设置为从500 V开始，对每一个模块的第2个端口注入10个脉冲，电压幅值以6 dB递增，直至出现损坏现象，记下损伤时和损伤前次的第10次脉冲的注入电压Uin、注入端电流Iin和输出电压Uout。

电压峰值设置为从500 V开始，对每一个模块的第3个端口注入10个脉冲，电压幅值以3 dB递增，直至损坏现象，记下损伤时和损伤前次第10次脉冲的注入电压Uin、注入端电流Iin和输出电压Uout。由于EC21模块只含有两个端口，需再取第2个试件进行测试。

再根据试验情况，取规定个数的试件，在Uin的基础上适当加减电压，按照顺序进行实验，直至出现损坏现象，记下损伤时和损伤前次的注入电压Uin、注入端电流Iin和输出电压Uout。对于10脉冲的情况，仅记录最后一次即可。按此方法，重复试验。

1.3.3 试验注入量级

单脉冲为在按要求接线的情况下传导注入一次脉冲，结束后对试件进行测试，记录相关数据。

10脉冲间隔6 dB为在按要求接线的情况下传导注入一次脉冲，结束后间隔大于10 s，再注入第2次脉冲，继续间隔大于10 s，进行第3次脉冲注入，以此类推至十次脉冲注入结束，对试件进行测试，记录相关数据。该类情况需将被测试件分为两组交错提高试验量级，每组按6 dB间隔提高量级，两批之间试验量级相差3 dB。例如，第1批试件施加的脉冲电压为100 V、200 V、400 V……，第2批试件施加的脉冲电压为141 V、282 V……

10次脉冲间隔3 dB为在按要求接线的情况下传导注入一次脉冲，结束后间隔大于10 s，再注入第2次脉冲，继续间隔大于10 s，进行第3次脉冲注入，以此类推至十次脉冲注入结束，对试件进行测试，记录相关数据。此类情况不用分批进行试验。模拟量输出端口试验条件如表3所示。

表3 模拟量输出端口试验条件 Tab.3 Test Conditions of Analog Output Circuit Module

2 试验结果

2.1 数字量输入模块电磁脉冲累积效应

2.1.1 单次脉冲，两次电磁脉冲电压峰值间隔1.5 dB

对每个电路按照单次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……进行注入，各次脉冲注入后对电路进行测试，判定是否失效。

数字量输入模块施加100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V后，测量输入的电流，其中几个典型波形如图2所示（在20个样本中选取其中一个样本为例）。

图2 电压-电流波形 Fig.2 Voltage-current Waveform

由图2a可以发现，当输入电压在100 V时，电流近似为0 A，说明场效应管没有受到明显损伤，其电阻近似无穷大；脉冲施加后，对电路进行检测，电路能够正常工作，开关量输入模块电路完好。图2b显示了当输入电压为141 V时，流过电路的脉冲电流峰值逐渐增加，施加到电路的电压波形出现畸变；脉冲施加后，分别对电路进行检测，电路能够正常工作。从上述现象可以分析出，随着注入的脉冲电压峰值逐渐增大，场效应管逐渐出现预击穿现象，但是预击穿后可以立即恢复。由图2c波形可以发现，当输入的脉冲电压峰值达到238 V后，电路上的电压波形出现严重畸变，流过电路的电流急剧增大，达70 A左右。脉冲电压施加后，对电路进行功能性检测，发现场效应管D极与S极之间呈通路状态，说明场效应管已被击穿。

2.1.2 10次脉冲，每量级电磁脉冲电压峰值间隔1.5 dB

分别对每个电路按照10次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……进行注入，一个量级注入10次脉冲，每个脉冲注入后测量电路是否失效，按顺序依次增加，直至失效。

数字量输入模块分别施加100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V脉冲电压10次，同时测量输入的电流，其中几个典型波形如图3所示（在20个样本中选取其中一个样本，图中为第15个样本）。

图3 电压-电流波形 Fig.3 Voltage-current Waveform

由图3可以发现，经过每个量级的10次脉冲后，开关量输入电路的电压-电流波形与单次脉冲波形基本类似。对20个样本进行统计，发现每个样本在同一量级下的波形都相近，所有样本都是在238 V第一次施加后失效。

2.1.3 10次脉冲，每量级电磁脉冲电压峰值间隔3 dB

由10次脉冲，每量级电磁脉冲电压峰值间隔1.5 dB试验结果可以看出，数字量输入模块的损伤阈值比较确定，且与施加的电磁脉冲电压前后间隔关系较小，所以每量级电磁脉冲电压峰值间隔3 dB的试验必要性不大，故本次试验不再进行。

2.1.4 小结

经统计，数字量输入端子的电磁脉冲累积效应试验结果见表4。由表4统计结果可以看出，所选数字量输入端子的击穿电压均为238 V，且与单次脉冲或者多次脉冲试验工况无关，说明所选数字量输入端子对电磁脉冲的累积效应不明显。

表4 数字量输入端子击穿电压统计 Tab.4 Statistics of Breakdown Voltage of Digital Input Circuit Module

2.2 模拟量输入电路电磁脉冲累积效应

2.2.1 单次脉冲

对模拟量输入电路按照单次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……进行注入，各次脉冲注入后对电路进行测试，判定是否失效。

经10个样本试验，试验结果表明，10个样本均在1700 V量级发生失效。

2.2.2 10次脉冲，两次电磁脉冲电压峰值间隔3dB

a）第1组：300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V、2400 V……。

模拟量输入模放大电路施加300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V后，测量输入的电流。

选取的样本试验过程中，脉冲源输出的电压为1700 V后，施加在模拟输入电路的输入端口电压约为780 V，重复4次后，电路的放大倍数下降；施加第5次脉冲后，放大电路失效。

b）第2组：360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V、2856 V……。

模拟量输入放大电路施加360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V后，测量输入的电流。

选取的样本试验过程中，脉冲源输出的电压为2025 V后，施加在模拟输入电路的输入端口电压约为968 V，重复3次后，放大电路失效。

2.2.3 10次脉冲，脉冲源输出电磁脉冲电压峰值固定为1700V

对上述有间隔重复性试验可以看出，模拟放大电路很大几率在脉冲源输出1700 V（施加在模拟电路上的电压约为780 V）时出现失效，故选择固定电压幅值1700 V。

分别对每个电路按照10次1700 V的脉冲进行注入，研究在1700 V量级下的模拟放大输入电路累积效应，每个脉冲注入后测量电路是否失效，得到的电压电流波形如图4所示（由于同一量级下输出波形幅值较稳定，故只选取一次试验波形进行说明）：

图4 电压-电流波形（输入电压1700V） Fig.4 Voltage-current Waveform(Input Voltage: 1700V)

对参加试验的30个样本损伤阈值试验结果进行统计，见表5。

表5 OP37模拟放大电路失效阈值统计 Tab.5 Statistics of Breakdown Voltage of Analog Input Circuit Module

由表5中结果可以发现，单次脉冲条件下，模拟方法模块失效阈值均为780 V。10次脉冲间隔3 dB试验过程可以发现，损伤阈值在688 V、780 V、944 V均有出现。选取固定值688 V输入电压重复试验，在连续施加不同次数后出现失效，表明典型电路对电磁脉冲的作用具有明显的累积效应。

2.3 模拟量输出模块电磁脉冲累积效应

该模块在与工业以太网耦合器连接状态下工作，试件在加电状态下进行试验，输出端无负载。每个模拟量输入端子模块有4个独立且相同的输入端口，因此作为4个独立的试件。试验时分别采用单脉冲、10脉冲间隔6 dB以及10脉冲间隔3 dB对器件性能进行试验，试验所得结果如表6所示。

由表6得，对于模拟量输出模块，在不同的脉冲次数及间隔下，单脉冲对其作用的损伤阈值范围波动较大，其损伤阈值最大值为1410 V，最小值为640 V；10脉冲间隔6 dB的情况损伤阈值范围波动小于单脉冲时的情况，其损伤阈值最大值为860 V，最小值为520 V；10脉冲间隔3 dB的情况损伤阈值范围波动更小，其损伤阈值最大值为1000 V，最小为970 V。单脉冲作用下损伤阈值最大值高于10脉冲作用下损伤阈值最大值，而在10次脉冲作用下，间隔6 dB情况下损伤阈值最大值小于间隔3 dB的情况。单脉冲作用下的损伤阈值平均值为933 V，10脉冲间隔6 dB作用下平均值为685 V，10次脉冲间隔3 dB作用下平均值为 985 V。

表6 不同脉冲次数及间隔下模拟量输出的损伤阈值电压 Tab.6 Statistics of Breakdown Voltage of Analog Output Circuit Module

由此可知，单脉冲作用下损伤阈值平均值高于10脉冲间隔6 dB作用下的平均值约3 dB，但却小于10脉冲间隔3 dB作用下的平均值约0.5 dB。单脉冲作用下的损伤阈值方差为61 656，10次脉冲间隔6 dB作用下的损伤阈值方差为15 275，10次脉冲间隔3 dB作用下的损伤阈值方差为225。单脉冲作用下损伤阈值的稳定性小于10次脉冲作用下损伤阈值的稳定性。

3 结 论

研究了典型电子器件在雷电电磁脉冲环境下的累积效应，选取了典型数字量输入模块、模拟量放大输入模块、模拟量输出模块作为实验对象，经过研究表明该数字量输入模块对雷电电磁脉冲无明显累积效应，而该模拟量放大输入模块、模拟量输出模块对雷电电磁脉冲具有较明显的累积效应，研究结果可为设备级、系统级雷电电磁脉冲试验提供一定参考。a）对于数字量输入模块，无论是在单次脉冲注入还是10次脉冲情况下，对各20个样本，共40个样本的样本，所有样本的损伤阈值均为238 V，无任何波动。说明所选取的典型数字量输入模块对电磁脉冲的损伤累积效应不明显。

b）对于模拟量放大输入模块，在脉冲电压量级间隔1.5 dB（第一组）的10个样本中，9个样本都是在其输入端输入脉冲电压约为780 V时失效，且在被试电路失效前，有放大倍数下降的现象出现；若单独对模拟放大电路进行780 V输入电压进行累积效应测试，可以发现被试电路均不是在第一次就失效，说明模拟量放大电路对电磁脉冲的作用具有明显的累积效应。

c）对于模拟量输出模块，单脉冲作用下存在一个异常值4000 V，出现这种情况可能与实验环境或是器件差异等因素有关。由实验得出单脉冲作用下损伤阈值平均值只大于10次脉冲作用下的其中一种情况的损伤阈值平均值。其原因在于单脉冲和10次脉冲试件数量不同；其次10次脉冲作用的脉冲间隔小于单脉冲作用下的脉冲间隔，使电流流过电路时产生的焦耳热没有完全释放掉，而下一个脉冲的到来又使得这种热量累积；再次10次脉冲作用下的脉冲个数远大于单脉冲作用下的脉冲个数，即10次脉冲作用时的能量大于单脉冲作用时的能量。因此，单脉冲作用下的损伤阈值平均值会高于10次脉冲间隔6 dB作用下损伤阈值平均值。由此可看出脉冲对模拟量输出也存在一定程度的累积效应。