聚四氟乙烯薄膜在纳秒脉冲下的击穿特性

聚四氟乙烯薄膜由于具有优良的介电、机械和热等性能，在绝缘领域应用广泛，其在直接、工频交流 和雷电冲击脉冲等常规条件下的击穿特性已经得到深入研究。随着脉冲功率技术的发展，纳秒脉冲下的击穿特性研究受到了国内外研究人员的广泛关注。近年来单次高压纳秒脉冲及低重复频率的脉冲电源较常见，因此目前纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿特性的研究主要几种在单词纳秒脉冲。重复频率条件下气体间隙的击穿与单词脉冲下的不同，击穿不发生在施加第一个脉冲时，而是经过几个、几十个或更多 的脉冲后才发生，击穿需要承受一定的重复频率耐受时间，目前对重复频率快脉冲作用下聚四氟乙烯薄膜绝缘特性的实验数据较少。随着开关器件的革新，kHz量级的重复频率纳秒脉冲电源也逐渐出现，为探索高重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜的击穿特性提供了可能。 实验装置电气电源采用输出电压范围为0~300kV的重复频率纳秒脉冲电源SPG2000N，脉冲上升时间约 15ns，脉宽30~40ns，重复频率1~1000Hz，输出平均功率13kW，其开启、关停及重复频率的调节均通过触 发脉冲控制器控制。实验中聚四氟乙烯薄膜试品击穿后，通过关断保护电路以输出给触发脉冲控制器关 断信号来实现SPG2000N的关停。WR204Xi数字存储示波器（带宽2GHz，采样率10GS/s）用来记录击穿电压 和电流波形。TDS220示波器（带宽100MHz，采样率1GS/s）用来测量重复频率耐受时间。两根10cm长的双 层同轴电缆连接示波器和存储数据用的计算机。实验时触发脉冲控制器、示波器、关断保护电路和计算 机均放置在屏蔽室内。实验中采用半球（R10）-板电极系统进行测量，聚四氟乙烯薄膜浸泡在变压器油 中。 实验时击穿电压通过附着在SPG2000N输出处的耦合式电容分压器测量，分压比约为10000.击穿电流通 过自积分罗氏线圈测量，其变比约为35mV/A。除了击穿后自动关停电源设备，关断保护电路还将用来测 量聚四氟乙烯PTFE的重复频率耐受时间。测量原理如下：当触发脉冲控制器输出脉冲启动SPG2000N时， TDS220示波器的通道1开始同时记录输出的脉冲。当一系列脉冲施加到聚四氟乙烯PTFE导致击穿后，击穿 电压和电流信号触发WR204Xi示波器，产生一个脉宽20ms触发反馈信号，由TDS220世博的通道2记录，此 时TDS220示波器两个通道信号的时间差即为实测的重复频率耐受时间，测量系统从发出导致击穿的脉冲 控制信号到示波器产生反馈信号需22μs。 通过对重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯PTFE薄膜的击穿特性的实验研究，测量并计算了电压电流及重 复频率耐受时间等参数，结果表明重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜的击穿场强为MV/cm量级。重复频 率耐受时间在ms量级，表明了除了本征和电子崩击穿模式以外，重复频率纳秒脉冲下热积累效应也是一 种重要的击穿模式，同样材料本身结构的缺陷也会促进聚四氟乙烯薄膜击穿过程。研究了重复频率和施 加场强对重复频率耐受时间和施加脉冲个数的影响，结果表明重复频率耐受时间随施加场强和重复频率 的增加而非线性减小，而施加脉冲个数随施加场强的增加而非线性减少，但随重复频率的增加先增加后 趋于饱和或减少。此外，聚四氟乙烯薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性。