典型電子器件雷電電磁脈沖累積效應(yīng)研究

龍中權(quán)，付繼偉，陳 曦，齊 歡

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

電氣設(shè)備在強(qiáng)電磁脈沖作用下，可能同時存在累積效應(yīng)和效應(yīng)隨機(jī)性[1,2]。早期曾有研究認(rèn)為，半導(dǎo)體器件內(nèi)的強(qiáng)電場大電流可能先造成不明顯影響實(shí)際功能的微小損傷，但多次脈沖累積會導(dǎo)致失效。而另一方面，歐洲抗高空電磁脈沖標(biāo)準(zhǔn)的研究者Sabath在文獻(xiàn)中假設(shè)電磁脈沖對器件的效應(yīng)具有一定的隨機(jī)性，即每次電磁脈沖作用于器件，損傷的發(fā)生有一定隨機(jī)性，從而認(rèn)為試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)足夠多以確保可能的損傷發(fā)生[3～5]。盡管有上述定性探討，但目前公開的文獻(xiàn)上對累積效應(yīng)和效應(yīng)的隨機(jī)性鮮有量化的研究結(jié)果報(bào)道。

設(shè)備級、系統(tǒng)級雷電電磁脈沖試驗(yàn)一般來說應(yīng)一方面足夠多，以便使帶有隨機(jī)性的損傷發(fā)生的概率達(dá)到規(guī)定的置信度，另一方面不宜過多，以免累積效應(yīng)導(dǎo)致的類似疲勞的損傷。針對常用的幾種典型組件，以試驗(yàn)的方式，統(tǒng)計(jì)失效閾值與試驗(yàn)次數(shù)的量化關(guān)系，提取累積效應(yīng)與效應(yīng)隨機(jī)性的量化規(guī)律，為設(shè)計(jì)電氣設(shè)備及系統(tǒng)抗雷電電磁脈沖試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 數(shù)字量輸入模塊電磁脈沖累積效應(yīng)試驗(yàn)方案

1.1.1 被試件狀態(tài)

被試電路為數(shù)字開關(guān)量，采用IRF520N場效應(yīng)管；電磁脈沖從場效應(yīng)管的D極、S極之間注入，注入過程中，場效應(yīng)管不加電。典型數(shù)字開關(guān)量電路如圖1所示。

圖1 典型數(shù)字開關(guān)量電路 Fig.1 Typical Digital Input Circuit Module

1.1.2 試驗(yàn)方法

a）試驗(yàn)前檢測電路功能是否正常（在GS間加偏置電流，連接負(fù)載及電源，觀察負(fù)載上顯示的電壓及電流值：Vin=24 V，限流1.1 A，負(fù)載限流1 A）。

b）被試品檢測正常后，脈沖施加在D極、S極之間（注入）。

c）每次脈沖注入后，按照上述方法檢測電路工作是否正常。

1.1.3 試驗(yàn)注入量級

a）單次脈沖，兩次電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB（研究單次脈沖，不同量級的累積效應(yīng)）。

分別對每個電路按照單次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……進(jìn)行注入，注入后測試電路是否失效，按順序依次增加，直至失效。

具體施加的電壓幅值由摸底試驗(yàn)后，根據(jù)失效閾值確定起始注入電壓，樣本數(shù)：20個。

b）10次脈沖，兩次電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB（研究多次脈沖的累積效應(yīng)）。

一個量級注入10次脈沖，每個脈沖注入后測量電路是否失效，按順序依次增加，直至失效。

具體施加的電壓幅值由摸底試驗(yàn)后，根據(jù)失效閾值確定起始注入電壓，樣本數(shù)：20個。

c）10次脈沖，間隔3 dB（研究多次脈沖的累積效應(yīng)，減少前次脈沖對損傷閾值的影響）。

分兩組，每組間隔1.5 dB；

第1組：100 V、141 V、200 V、282 V、……

第2組：119 V、168 V、238 V……

一個量級注入10次脈沖，每個脈沖注入后測量電路是否失效，按順序依次增加，直至失效。

具體施加的電壓幅值由摸底試驗(yàn)后，根據(jù)失效閾值確定起始注入電壓，樣本數(shù)：各20個，共40個。

試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置方案如表1所示。

表1 數(shù)字量輸入端口試驗(yàn)條件 Tab.1 Test Conditions of Digital Input Circuit Module

1.2 模擬量輸入模塊電磁脈沖累積效應(yīng)試驗(yàn)方案

1.2.1 被試件狀態(tài)

被試品采用OP37模擬放大電路，電磁脈沖從放大電路的輸入端注入，注入過程中，模擬放大電路不加電。

1.2.2 試驗(yàn)方法

a）試驗(yàn)前檢測電路功能是否正常（給放大器加電源使其工作，在模擬放大電路輸入端加測試電壓，在模擬放大電路輸出端測試輸出信號，調(diào)節(jié)放大按鈕開關(guān)，觀察模擬電路輸出信號是否隨輸入信號的變化而變化）；

b）被試品檢測正常后，電磁脈沖施加在模擬電路的輸入端（注入）；

c）每次脈沖注入后，按照上述方法檢測電路工作是否正常。

1.2.3 試驗(yàn)注入量級

根據(jù)正式試驗(yàn)前的摸底結(jié)果，OP37模擬放大電路在電磁脈沖源電壓峰值輸出1700 V注入下（對應(yīng)施加到電路輸入端的電壓約為750 V），電路出現(xiàn)損傷效應(yīng)。所以，本次試驗(yàn)使用的模擬放大電路耐壓強(qiáng)度按照脈沖場峰值電壓750 V進(jìn)行試驗(yàn)，樣本數(shù)均為10個，共分為3種狀態(tài)：

a）10次脈沖，兩次電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB（第1組）。

分別對每個電路按照10次300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V、2400 V……進(jìn)行注入，一個量級注入10次脈沖，每個脈沖注入后測量電路是否失效，按順序依次增加，直至失效。

b）10次脈沖，兩次電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB（第2組）。

分別對每個電路按照10次360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V、2856 V……進(jìn)行注入，一個量級注入10次脈沖，每個脈沖注入后測量電路是否失效，按順序依次增加，直至失效。

c）多次脈沖（直至失效），幅值為常值，待定（根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果確定）。

根據(jù)前面試驗(yàn)結(jié)果，選定一常值電壓，重復(fù)多次，直至放大電路失效，研究同一量級下的累積效應(yīng)。

試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置方案如表2所示。

表2 模擬量輸入端口試驗(yàn)條件 Tab.2 Test Conditions of Analog Input Circuit Module

1.3 模擬量輸出模塊電磁脈沖累積效應(yīng)試驗(yàn)方案

1.3.1 被試件狀態(tài)

模擬量輸出模塊在與工業(yè)以太網(wǎng)耦合器連接狀態(tài)下工作，試件應(yīng)在加電狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，輸出端無負(fù)載。每個模擬量輸入端子模塊有4個獨(dú)立且相同的輸入端口，因此作為4個獨(dú)立的試件。每次脈沖注入后用TwinCAT軟件測試功能是否正常。

1.3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中脈沖源為直流高壓源，施加的脈沖類型分為3類：單脈沖，10脈沖間隔6 dB，10脈沖間隔3 dB。

電壓峰值設(shè)置為從500 V開始，對每一個模塊的第1個端口注入單脈沖，電壓幅值以6 dB遞增，直至出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，記下?lián)p傷時和損傷前次的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。

電壓峰值設(shè)置為從500 V開始，對每一個模塊的第2個端口注入10個脈沖，電壓幅值以6 dB遞增，直至出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，記下?lián)p傷時和損傷前次的第10次脈沖的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。

電壓峰值設(shè)置為從500 V開始，對每一個模塊的第3個端口注入10個脈沖，電壓幅值以3 dB遞增，直至損壞現(xiàn)象，記下?lián)p傷時和損傷前次第10次脈沖的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。由于EC21模塊只含有兩個端口，需再取第2個試件進(jìn)行測試。

再根據(jù)試驗(yàn)情況，取規(guī)定個數(shù)的試件，在Uin的基礎(chǔ)上適當(dāng)加減電壓，按照順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，記下?lián)p傷時和損傷前次的注入電壓Uin、注入端電流Iin和輸出電壓Uout。對于10脈沖的情況，僅記錄最后一次即可。按此方法，重復(fù)試驗(yàn)。

1.3.3 試驗(yàn)注入量級

單脈沖為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖，結(jié)束后對試件進(jìn)行測試，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

10脈沖間隔6 dB為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖，結(jié)束后間隔大于10 s，再注入第2次脈沖，繼續(xù)間隔大于10 s，進(jìn)行第3次脈沖注入，以此類推至十次脈沖注入結(jié)束，對試件進(jìn)行測試，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。該類情況需將被測試件分為兩組交錯提高試驗(yàn)量級，每組按6 dB間隔提高量級，兩批之間試驗(yàn)量級相差3 dB。例如，第1批試件施加的脈沖電壓為100 V、200 V、400 V……，第2批試件施加的脈沖電壓為141 V、282 V……

10次脈沖間隔3 dB為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖，結(jié)束后間隔大于10 s，再注入第2次脈沖，繼續(xù)間隔大于10 s，進(jìn)行第3次脈沖注入，以此類推至十次脈沖注入結(jié)束，對試件進(jìn)行測試，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。此類情況不用分批進(jìn)行試驗(yàn)。模擬量輸出端口試驗(yàn)條件如表3所示。

表3 模擬量輸出端口試驗(yàn)條件 Tab.3 Test Conditions of Analog Output Circuit Module

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 數(shù)字量輸入模塊電磁脈沖累積效應(yīng)

2.1.1 單次脈沖，兩次電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB

對每個電路按照單次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……進(jìn)行注入，各次脈沖注入后對電路進(jìn)行測試，判定是否失效。

數(shù)字量輸入模塊施加100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V后，測量輸入的電流，其中幾個典型波形如圖2所示（在20個樣本中選取其中一個樣本為例）。

圖2 電壓-電流波形 Fig.2 Voltage-current Waveform

由圖2a可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓在100 V時，電流近似為0 A，說明場效應(yīng)管沒有受到明顯損傷，其電阻近似無窮大；脈沖施加后，對電路進(jìn)行檢測，電路能夠正常工作，開關(guān)量輸入模塊電路完好。圖2b顯示了當(dāng)輸入電壓為141 V時，流過電路的脈沖電流峰值逐漸增加，施加到電路的電壓波形出現(xiàn)畸變；脈沖施加后，分別對電路進(jìn)行檢測，電路能夠正常工作。從上述現(xiàn)象可以分析出，隨著注入的脈沖電壓峰值逐漸增大，場效應(yīng)管逐漸出現(xiàn)預(yù)擊穿現(xiàn)象，但是預(yù)擊穿后可以立即恢復(fù)。由圖2c波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入的脈沖電壓峰值達(dá)到238 V后，電路上的電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，流過電路的電流急劇增大，達(dá)70 A左右。脈沖電壓施加后，對電路進(jìn)行功能性檢測，發(fā)現(xiàn)場效應(yīng)管D極與S極之間呈通路狀態(tài)，說明場效應(yīng)管已被擊穿。

2.1.2 10次脈沖，每量級電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB

分別對每個電路按照10次100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V……進(jìn)行注入，一個量級注入10次脈沖，每個脈沖注入后測量電路是否失效，按順序依次增加，直至失效。

數(shù)字量輸入模塊分別施加100 V、119 V、141 V、168 V、200 V、238 V脈沖電壓10次，同時測量輸入的電流，其中幾個典型波形如圖3所示（在20個樣本中選取其中一個樣本，圖中為第15個樣本）。

圖3 電壓-電流波形 Fig.3 Voltage-current Waveform

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過每個量級的10次脈沖后，開關(guān)量輸入電路的電壓-電流波形與單次脈沖波形基本類似。對20個樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)每個樣本在同一量級下的波形都相近，所有樣本都是在238 V第一次施加后失效。

2.1.3 10次脈沖，每量級電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB

由10次脈沖，每量級電磁脈沖電壓峰值間隔1.5 dB試驗(yàn)結(jié)果可以看出，數(shù)字量輸入模塊的損傷閾值比較確定，且與施加的電磁脈沖電壓前后間隔關(guān)系較小，所以每量級電磁脈沖電壓峰值間隔3 dB的試驗(yàn)必要性不大，故本次試驗(yàn)不再進(jìn)行。

2.1.4 小結(jié)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，數(shù)字量輸入端子的電磁脈沖累積效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，所選數(shù)字量輸入端子的擊穿電壓均為238 V，且與單次脈沖或者多次脈沖試驗(yàn)工況無關(guān)，說明所選數(shù)字量輸入端子對電磁脈沖的累積效應(yīng)不明顯。

表4 數(shù)字量輸入端子擊穿電壓統(tǒng)計(jì) Tab.4 Statistics of Breakdown Voltage of Digital Input Circuit Module

2.2 模擬量輸入電路電磁脈沖累積效應(yīng)

2.2.1 單次脈沖

對模擬量輸入電路按照單次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……進(jìn)行注入，各次脈沖注入后對電路進(jìn)行測試，判定是否失效。

經(jīng)10個樣本試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，10個樣本均在1700 V量級發(fā)生失效。

2.2.2 10次脈沖，兩次電磁脈沖電壓峰值間隔3dB

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

模擬量輸入模放大電路施加300 V、425 V、600 V、850 V、1200 V、1700 V后，測量輸入的電流。

選取的樣本試驗(yàn)過程中，脈沖源輸出的電壓為1700 V后，施加在模擬輸入電路的輸入端口電壓約為780 V，重復(fù)4次后，電路的放大倍數(shù)下降；施加第5次脈沖后，放大電路失效。

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

模擬量輸入放大電路施加360 V、505 V、715 V、1010 V、1430 V、2025 V后，測量輸入的電流。

選取的樣本試驗(yàn)過程中，脈沖源輸出的電壓為2025 V后，施加在模擬輸入電路的輸入端口電壓約為968 V，重復(fù)3次后，放大電路失效。

2.2.3 10次脈沖，脈沖源輸出電磁脈沖電壓峰值固定為1700V

對上述有間隔重復(fù)性試驗(yàn)可以看出，模擬放大電路很大幾率在脈沖源輸出1700 V（施加在模擬電路上的電壓約為780 V）時出現(xiàn)失效，故選擇固定電壓幅值1700 V。

分別對每個電路按照10次1700 V的脈沖進(jìn)行注入，研究在1700 V量級下的模擬放大輸入電路累積效應(yīng)，每個脈沖注入后測量電路是否失效，得到的電壓電流波形如圖4所示（由于同一量級下輸出波形幅值較穩(wěn)定，故只選取一次試驗(yàn)波形進(jìn)行說明）：

圖4 電壓-電流波形（輸入電壓1700V） Fig.4 Voltage-current Waveform(Input Voltage: 1700V)

對參加試驗(yàn)的30個樣本損傷閾值試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表5。

表5 OP37模擬放大電路失效閾值統(tǒng)計(jì) Tab.5 Statistics of Breakdown Voltage of Analog Input Circuit Module

由表5中結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單次脈沖條件下，模擬方法模塊失效閾值均為780 V。10次脈沖間隔3 dB試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)，損傷閾值在688 V、780 V、944 V均有出現(xiàn)。選取固定值688 V輸入電壓重復(fù)試驗(yàn)，在連續(xù)施加不同次數(shù)后出現(xiàn)失效，表明典型電路對電磁脈沖的作用具有明顯的累積效應(yīng)。

2.3 模擬量輸出模塊電磁脈沖累積效應(yīng)

該模塊在與工業(yè)以太網(wǎng)耦合器連接狀態(tài)下工作，試件在加電狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，輸出端無負(fù)載。每個模擬量輸入端子模塊有4個獨(dú)立且相同的輸入端口，因此作為4個獨(dú)立的試件。試驗(yàn)時分別采用單脈沖、10脈沖間隔6 dB以及10脈沖間隔3 dB對器件性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所得結(jié)果如表6所示。

由表6得，對于模擬量輸出模塊，在不同的脈沖次數(shù)及間隔下，單脈沖對其作用的損傷閾值范圍波動較大，其損傷閾值最大值為1410 V，最小值為640 V；10脈沖間隔6 dB的情況損傷閾值范圍波動小于單脈沖時的情況，其損傷閾值最大值為860 V，最小值為520 V；10脈沖間隔3 dB的情況損傷閾值范圍波動更小，其損傷閾值最大值為1000 V，最小為970 V。單脈沖作用下?lián)p傷閾值最大值高于10脈沖作用下?lián)p傷閾值最大值，而在10次脈沖作用下，間隔6 dB情況下?lián)p傷閾值最大值小于間隔3 dB的情況。單脈沖作用下的損傷閾值平均值為933 V，10脈沖間隔6 dB作用下平均值為685 V，10次脈沖間隔3 dB作用下平均值為 985 V。

表6 不同脈沖次數(shù)及間隔下模擬量輸出的損傷閾值電壓 Tab.6 Statistics of Breakdown Voltage of Analog Output Circuit Module

由此可知，單脈沖作用下?lián)p傷閾值平均值高于10脈沖間隔6 dB作用下的平均值約3 dB，但卻小于10脈沖間隔3 dB作用下的平均值約0.5 dB。單脈沖作用下的損傷閾值方差為61 656，10次脈沖間隔6 dB作用下的損傷閾值方差為15 275，10次脈沖間隔3 dB作用下的損傷閾值方差為225。單脈沖作用下?lián)p傷閾值的穩(wěn)定性小于10次脈沖作用下?lián)p傷閾值的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

研究了典型電子器件在雷電電磁脈沖環(huán)境下的累積效應(yīng)，選取了典型數(shù)字量輸入模塊、模擬量放大輸入模塊、模擬量輸出模塊作為實(shí)驗(yàn)對象，經(jīng)過研究表明該數(shù)字量輸入模塊對雷電電磁脈沖無明顯累積效應(yīng)，而該模擬量放大輸入模塊、模擬量輸出模塊對雷電電磁脈沖具有較明顯的累積效應(yīng)，研究結(jié)果可為設(shè)備級、系統(tǒng)級雷電電磁脈沖試驗(yàn)提供一定參考。a）對于數(shù)字量輸入模塊，無論是在單次脈沖注入還是10次脈沖情況下，對各20個樣本，共40個樣本的樣本，所有樣本的損傷閾值均為238 V，無任何波動。說明所選取的典型數(shù)字量輸入模塊對電磁脈沖的損傷累積效應(yīng)不明顯。

b）對于模擬量放大輸入模塊，在脈沖電壓量級間隔1.5 dB（第一組）的10個樣本中，9個樣本都是在其輸入端輸入脈沖電壓約為780 V時失效，且在被試電路失效前，有放大倍數(shù)下降的現(xiàn)象出現(xiàn)；若單獨(dú)對模擬放大電路進(jìn)行780 V輸入電壓進(jìn)行累積效應(yīng)測試，可以發(fā)現(xiàn)被試電路均不是在第一次就失效，說明模擬量放大電路對電磁脈沖的作用具有明顯的累積效應(yīng)。

c）對于模擬量輸出模塊，單脈沖作用下存在一個異常值4000 V，出現(xiàn)這種情況可能與實(shí)驗(yàn)環(huán)境或是器件差異等因素有關(guān)。由實(shí)驗(yàn)得出單脈沖作用下?lián)p傷閾值平均值只大于10次脈沖作用下的其中一種情況的損傷閾值平均值。其原因在于單脈沖和10次脈沖試件數(shù)量不同；其次10次脈沖作用的脈沖間隔小于單脈沖作用下的脈沖間隔，使電流流過電路時產(chǎn)生的焦耳熱沒有完全釋放掉，而下一個脈沖的到來又使得這種熱量累積；再次10次脈沖作用下的脈沖個數(shù)遠(yuǎn)大于單脈沖作用下的脈沖個數(shù)，即10次脈沖作用時的能量大于單脈沖作用時的能量。因此，單脈沖作用下的損傷閾值平均值會高于10次脈沖間隔6 dB作用下?lián)p傷閾值平均值。由此可看出脈沖對模擬量輸出也存在一定程度的累積效應(yīng)。