非接觸式靜電放電波形分析及試驗

趙 丹 吳桂林 朱繼芳 黃 昀

(1.四川航天計量測試研究所，四川成都 610100；2.四川航天技術研究院，四川成都 610100)

1 引 言

靜電放電作為一種常見的近場危害源，在其放電過程中可形成瞬時高電壓和瞬時大電流，使得器件的安全性能大大下降，并影響半導體器件的電學特性[1,2]。在工業制造和航天領域等方面，產生靜電放電不僅會對電子系統和相關電氣設備造成損害，而且電氣化設備以及人體間的高電壓，容易產生火花放電，會對人體的安全造成威脅。特別是在火工品制造領域，靜電造成的火工品放電，容易引起火工品發生爆炸事故，因此需對火工品進行靜電火花感度試驗。

放電方式主要分為接觸式放電和非接觸式放電。接觸式放電的重復性較好，相關的研究比較成熟，GB/T 17626.2—2018規定了接觸式放電的波形及校準方法[3]；由于非接觸式放電受到外部火花通道、放電電壓的大小與極性、氣體壓強、環境溫濕度、電極接近速度等因素的影響，放電重復性比較低[4]。火工品靜電火花感度試驗屬于非接觸式放電，本文依據火工品靜電感度試驗方法，對試驗裝置靜電放電進行理論分析，建立等效電路模型，并根據等效電路模型進行仿真，研制相關試驗裝置，通過非接觸靜電放電試驗，驗證不同電阻電容對靜電放電波形的影響，同時研究提高非接觸式靜電放電試驗重復性的方法。

2 非接觸式靜電放電波形理論分析

2.1 試驗裝置理論模型

靜電感度試驗裝置放電試驗時，放電回路主要由儲能電容、放電電阻以及放電間隙組成，因此放電回路等效電路模型分為兩部分，分別為靜電感度試驗裝置儲能部分等效電路模型和放電間隙的等效電路模型。

1)儲能部分等效電路模型

靜電感度試驗裝置等效電路的儲能部分由選用的儲能電容和放電電阻來描述。

由于放電時間在納秒級，儲能電容與放電電阻使用在高頻情況下。在高頻下，儲能電容元件有一些由引線導致的接線電阻和分布電感引起的介質損耗。電容等效電路如圖1所示。其中分布電感大小一般為(0.01～0.1)μH。

放電電阻在高頻情況下，需考慮電阻元件的引線電感和分布電容的影響，其簡單的等效電路如圖2所示。其中非繞線電阻的引線電感一般為(0.01～0.1)μH。

圖2 電阻等效電路圖

2)放電間隙的等效電路模型

根據相關文獻描述有兩種描述火花電阻的模型，分別為Rompe—Weizel模型和Toepler模型。經過理論試驗研究表明，以Rompe—Weizel為原則假設的模型，能更好的說明火花放電能量及放電過程[5]。Rompe—Weizel定理是用來描述放電電流、通道阻抗、放電弧長之間關系[6]。一定時間內進入放電通道的電能量的多少影響著電弧的長短，即電能量決定電弧長度的長短，他們之間是一個正比例的關系。另外電弧發生是有一定的條件的，只有高于某個值(臨界值)，電弧才會發生。由式(1)可以看出，通道阻抗正比于放電弧長，與放電電流成反比關系，因此仿真分析時要預估一個通道阻抗[7]。

(1)

式中：R(t)——微小放電間隙的總阻抗，Ω；d——微小間隙放電弧長，m；α——放電火花常數，其值為(0.5-1)×10-4m2/V2。

2.2 仿真結果

依據Rompe—Weizel定理，放電通路的電阻與放電電流、放電弧長有關，因此放電回路的阻值依據實測電流情況進行調整。采用電路仿真軟件，搭建等效電路模型，如圖3所示，并進行仿真分析。等效電路中儲能電容儲存的能量等效為一個階躍信號，上升時間設置為25ns，電壓設置為5kV，仿真結果如圖4所示，峰值電流為52.4A，上升時間為6.02ns，脈寬為24.2ns。

圖3 靜電感度試驗裝置放電試驗等效電路圖

圖4 500pF，5kΩ的放電仿真波形圖

3 試驗裝置

3.1 組成及工作原理

火工品靜電感度試驗裝置依據GJB 5309.14—2004火工品試驗方法第14部分靜電放電試驗工作原理進行設計[8]。火工品靜電感度試驗裝置組成如圖5所示，裝置主要由高壓源、充放電開關、放電電阻、儲能電容、放電電極、電流靶和示波器組成。工作原理為控制器控制高壓電源輸出高壓，給儲能電容充電，待充滿電后，控制充放電開關切換至放電狀態，電容儲存的能量經放電電阻到放電電極，若發生靜電放電，電流靶采集放電電流，示波器顯示電流波形。

圖5 火工品靜電感度試驗裝置組成框圖

3.2 組件選型

根據火工品靜電放電的試驗GJB 5309.14—2004中的要求，試驗采用的靜電感度儀放電電容為500pF、放電電阻為5kΩ，因此該試驗裝置選用耐壓40kV的高壓電容，選用阻值為5kΩ的無感電阻。

高壓電源選用的是MRA系列高壓電源模塊，該高壓電源輸出可達30kV，輸出電流最大為3.3mA，具有RS232隔離數字通信、高速模式、異常自診斷等功能，同時該高壓電源模塊具有外形尺寸小、重量輕的優點，能使試驗裝置小型化。

充放電開關應具有耐高壓，響應速度快等優點，對比各廠家繼電器，最終選用G61LC真空繼電器，可耐高壓35kV，接觸電阻為1Ω，開關時間為15ms。

電流靶即電流傳感器，選用ESD-CALA電流靶進行試驗，電流靶的結構依據GB/T 17626.2—2018的規定進行設計。該電流傳感器內部由很多電阻組成，這些電阻經過特殊的排列，最終等效為一個2Ω電阻，這種結構可以保證電流傳感器具有良好的高頻特性，滿足至少1GHz以上的工作頻率范圍的要求。放電電極對放電靶中心放電，信號從電流傳感器的另一端輸出后經過同軸電纜饋入示波器輸入端。

示波器選用泰克MSO64高速示波器，該示波器具有8GHz的帶寬，高達25GHz/s的采樣率，滿足放電波形的采集要求，可同時測量四個通道的信號，具有USB3.0、以太網等通信接口。

4 非接觸式靜電放電試驗

4.1 提高試驗重復性試驗

非接觸放電試驗中放電間隙、放電位置的不確定性，導致放電試驗的重復性差。為了提高非接觸放電試驗的重復性，對試驗環境的溫度、濕度進行控制，并采取三種改進措施提高試驗重復性。通過多次放電試驗，采集放電電壓、電流，采用電壓、電流與時間的積分計算放電能量，根據能量值的分散性，分析改進措施對放電試驗重復性的影響。

試驗接線如圖6所示，控制環境溫度為20℃±2℃，環境濕度為50%RH±5%RH，采用圓錐狀的電極進行放電試驗。提高放電重復性的措施如下：

圖6 瞬態能量采集試驗接線示意圖

1)兩次試驗間隔時間分別為1min和2min；

2)兩次試驗之間放電電極增加接地操作；

3)在放電空隙中增加絕緣間隙板控制放電路徑。

電流探頭和電壓探頭接入示波器，設置高壓電源輸出為5.2kV，放電電阻和電容組合為5kΩ與10nF。根據帕邢定理設置其放電距離為3.1mm，兩次試驗間隔為1min和2min，每組試驗次數大于50次，試驗結果情況如圖7和圖8所示，試驗結果見表1。

圖7 間隔1min能量分布圖

圖8 間隔2min能量分布圖

表1 不同時間間隔試驗結果Tab.1 Test results of different time intervals平均值/J10%誤差范圍概率20%誤差范圍概率方差/J試驗次數間隔時間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

根據試驗結果進行分析，從三次試驗數據中看，放電間隔2min的數據分散性比間隔1min的分散性小，因此重復性好，但是平均值的10%誤差范圍內的概率小于50%，因此繼續采取提高試驗重復性的措施。在兩次試驗間隔為2min過程中對放電端子進行接地操作，試驗結果見表2。

表2 接地操作后的試驗結果Tab.2 Test results after grounding operation平均值/J10%誤差范圍概率20%誤差范圍概率方差/J試驗次數0.2570.601.00.0276200.2740.780.900.0267200.2630.680.920.027320

根據試驗結果進行分析，進行接地操作后，平均值的10%誤差范圍內的概率增加，但未超過80%，因此繼續采取提高試驗重復性的措施，在放電空隙中增加絕緣間隙板，以控制其放電路徑，試驗結果見表3。

表3 增加絕緣間隙板后試驗結果Tab.3 Test results after adding insulating gap plate平均值/J10%誤差范圍概率方差/J試驗次數0.4020.90.0245200.4041.00.0252200.4050.920.025520

根據試驗結果進行分析，在放電空隙中增加絕緣間隙板控制放電路徑后，平均值的10%誤差范圍內的概率增加，且超過80%，甚至達到100%，因此提高了非接觸式放電試驗的重復性。最終確定非接觸式放電試驗條件為：環境溫度為20℃±2℃，環境濕度為50%RH±5%RH，兩次試驗間隔為2min以上，且放電后放電端進行接地，清除剩余電荷，放電空隙之間增加合適尺寸的絕緣間隙板，控制放電路徑。

4.2 放電波形試驗

根據非接觸式放電試驗的方法，采用不同的放電電容與放電電阻進行組合，進行放電試驗，試驗中采集放電電流的峰值、電流脈寬和上升時間。放電電阻設置為5kΩ，更改儲能電容分別為500pF，1000pF，10nF，100nF，部分放電試驗的電流波形如圖9和圖10所示，試驗結果見表4。

圖9 500pF，5kΩ的放電波形圖

圖10 100nF，5kΩ的放電波形圖

表4 不同電容的試驗結果Tab.4 Test results of different capacitance間隙/mm電壓/kV儲能電容放電電阻電流峰值/A上升時間/ns脈寬/ns35.08500pF5kΩ50.756.8524.5234.981000pF5kΩ48.427.1224.4535.2410nF5kΩ54.417.0424.2136.12100nF5kΩ62.626.8123.64

根據試驗情況分析：在放電電阻不變，儲能電容值增加的情況下，其放電波形一致；隨著電容值的增加，其放電電流波形的上升時間、脈寬沒有明顯變化趨勢，放電電流波形的上升時間差異最大為3.9%，脈寬差異最大為3.7%；電流峰值與放電端兩端的電壓成正比關系。由于試驗時的電壓值為采集的放電端的實際放電電壓值，因此會有不同。

綜上所述：在放電電阻不變，儲能電容增加的情況下，其放電波形一致，放電電流波形的上升時間、脈寬沒有明顯變化趨勢，差異不超過±10%，但電流峰值與放電端兩端的電壓成正比。說明儲能電容變化，對放電電流的影響較小，但放電電壓與電流峰值成正比。

將圖4與圖8相比，電流波形趨勢一致，仿真的峰值電流為52.4A，上升時間為6.02ns，脈寬為24.2ns，而試驗結果的峰值電流為50.75A，上升時間為6.85ns，脈寬為24.52ns。其峰值電流差異為3.2%、上升時間差異為12%，脈寬差異為1.3%，仿真結果與實際試驗的試驗結果相比，峰值電流與脈寬差異較小，而仿真時設置階躍信號的上升時間導致兩者上升時間差異較大，因此仿真能體現試驗的峰值電流和脈寬的實際情況。

放電電容設置為10nF，更改放電電阻分別為500Ω，1kΩ，1.5kΩ，5kΩ，部分放電試驗的電流波形如圖11和圖12所示，試驗結果見表5。

圖11 10nF，500Ω的放電波形圖

圖12 10nF，1.5kΩ的放電波形圖

根據試驗情況分析：在儲能電容不變，放電電阻值增加的情況下，其放電波形一致；隨著電阻值增加，電流峰值沒有明顯變化趨勢，最大差異為3.0%；上升時間與放電電阻成正比關系，差異最大

表5 不同電阻的試驗結果Tab.5 Test results of different resistance間隙/mm電壓/kV儲能電容放電電阻電流峰值/A上升時間/ns脈寬/ns35.2710nF500Ω51.416.7725.9735.1810nF1kΩ51.926.8425.5735.0810nF1.5kΩ51.826.8625.1835.2410nF5kΩ52.967.0424.21

為4.0%；脈寬與放電電阻成反比關系，差異最大為-6.8%。

綜上所述：在儲能電容不變，放電電阻值增加的情況下，其放電波形一致，電流峰值沒有明顯變化趨勢，其放電電流波形的上升時間與放電電阻成正比，脈寬與放電電阻成反比，但誤差均不超過±10%，說明放電電阻的高頻特性差別較小，對放電波形的影響較小。

5 結束語

本文研究火工品靜電放電試驗裝置，并對該裝置非接觸式靜電放電時的等效電路模型進行分析，并通過該等效電路，采用仿真軟件對放電試驗進行仿真。由于非接觸靜電放電試驗的放電重復性比較低，本文采取相關措施提升了試驗的重復性。

確定試驗條件后，針對電容與電阻的不同組合進行放電試驗，試驗表明：試驗結果與仿真結果相比差異較小，電流波形趨勢一致；不同電容相同電阻的配置下，放電波形一致，儲能電容變化，對放電電流波形的上升時間和脈寬的影響較小，但放電電壓與電流峰值成正比；相同電容與不同電阻的配置下，其放電波形一致，電流峰值沒有明顯變化趨勢，其放電電流波形的上升時間與放電電阻成正比，脈寬與放電電阻成反比，但誤差均較小，說明放電電阻的高頻特性差別較小，對放電波形的影響較小。