EtherCAT设备端口电磁脉冲损伤阈值及防护措施

为了实现高空核电磁脉冲(HEMP)的有效防护,选取一款典型的以太网现场总线系统(EtherCAT)从站通信模块,对其进行HEMP传导注入试验。研究了该类装置对HEMP的敏感度及损伤累积效应影响,选取了适用于网络端口的防护器件,研究了其对HEMP的响应特性,并提出了端口防护方案。通过试验得出:被测端口对HEMP传导注入较为敏感,单次脉冲注入情况下的损毁阈值电压约为450.1V,10次脉冲注入情况下的损毁阈值电压约为273.5 V,脉冲次数对其具有明显的累积效应;该防护器件在单次脉冲注入时损毁阈值电压为9.67 k V,10次脉冲时的损毁阈值电压为8.97 kV;将该防护器件并联至受试模块注入端口后,受试端口可保证在注入3 kV HEMP电压峰值下网络系统仍不受损伤。研究结果表明,防护后的以太网从站通信模块的损毁阈值电压可提升至3 kV以上。     

纳秒脉冲电压下油浸纸局部尖端缺陷击穿特性及损伤规律

配电变压器在高空电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse,HEMP)早期传导环境中将遭受纳秒电应力入侵,易在绕组引线焊点处造成绝缘失效或损伤。为此,该文研究纳秒脉冲电压下油浸纸尖端缺陷的伏秒特性、击穿概率、脉冲电压幅值与绝缘击穿时脉冲累积次数之间的关系(即U-N特性),并基于放电特性、微观形貌、流注仿真探究纳秒脉冲电压下的油浸纸尖端缺陷损伤规律与机理。研究表明:伏秒特性、击穿概率分布、U-N特性均有明显极性效应,极性效应与界面屏障电荷有关;纳秒脉冲致损油浸纸可分为轻度与重度两个等级,轻度损伤易形成表面斑状缺陷,呈现多次低幅值的工频局部放电模式,重度损伤易形成龟裂缺陷,呈现少次高幅值的工频局部放电模式,损伤差异与油纸界面流注特性有关。结果可为提高配电变压器在HEMP传导环境中的生存能力与评估技术提供一定参考。     

集成电路不同脉冲注入的损伤效应相关性

为了分析复杂波形脉冲注入对集成电路的损伤特点,找出不同波形参数的脉冲注入损伤效应相关性,用方波脉冲和不同模型的静电放电（ESD）对5种具有典型代表意义的集成电路器件进行注入损伤效应实验,并给出了器件的损伤电压、损伤功率、损伤能量等值。采用曲线拟合的分析法,基于实验数据建立起脉冲特性参数与器件损伤参数间的数学关系,其函数...     

ESD和方波脉冲对集成电路损伤效应异同性

为了考察不同波形脉冲对集成电路损伤效应的异同性,用ESD和方波脉冲对2种集成电路器件进行注入损伤效应实验,在采用曲线拟合分析法建立起波形参数与器件损伤参数间的数学模型后,讨论了不同脉冲注入时器件的损伤阈值和损伤机理。结果表明:2种注入方式对实验器件的损伤机理相同或类似;以损伤能量作比较,同一器件的ESD损伤阈值小于方波阈值;同属一个门类的这2种器件,方波阈值相差小而ESD阈值相差大且方波实验下所得器件敏感度排序与ESD脉冲注入时排序相同。2种注入方式下建立起的数学模型的表述形式虽有可能不同,但器件的损伤参数与脉冲参数间关系变化的实质规律不变。方波时可将所有参数都考虑进来拟合得到一个联合式,但ESD脉冲注入时这种拟合的准确度会降低,可能因实验脉冲参数变化的范围不大而引起。     

注入与辐照相结合的电磁辐射安全裕度试验方法

针对系统级电磁兼容及防护性能试验评估的技术需求,考虑到传统电磁辐射敏感度试验方法存在的问题,提出了注入与辐照相结合的互联系统电磁辐射安全裕度试验方法。以设备输入端口的响应电压相同作为等效依据,而不必关心线缆上的电流分布是否相同,对注入法与辐照法的等效性进行了理论分析。采用反对称定向耦合器级联的设计方案,确定了辅助试验设备6端口耦合模块的S参数,提出了基于耦合模块的注入等效替代辐照效应试验方法。以典型天线接收互联系统为受试对象,通过开展注入与辐照效应试验研究,确定了辐照电场强度与等效注入电压之间为线性变化关系,验证了注入与辐照相结合的电磁辐射安全裕度试验方法的有效性。     

基于可控硅整流器的静电放电防护器件延迟特性

为提高静电放电（ESD）防护器件的开启速度,减小被保护电路的损伤概率,在0.18μm CMOS混合信号工艺下,研究了结构参数、脉冲幅值对基于可控硅整流器（SCR）的ESD防护器件开启时间的影响。在基区渡越时间的基础上,加上了结电容的影响因素,完善了器件防护延迟模型,当注入脉冲电压值增大到700V时,模型最大误差〈0.5ns,在分析快沿脉冲的防护时更符合实际情况。仿真结果表明：当阱间距取5.00μm,N＋与P＋间隔取0.50μm,SCR的开启时间可降为1ns。此外,在大幅值的脉冲注入下,由于结电容的充电速度加快,SCR的开启也更为迅速。实验结果验证了模型和仿真分析的准确性,在一定程度上增大阱间距的宽度,减小N＋与P＋的间隔可以缩短SCR的开启时间,为该类型防护器件的设计、参数优化提供了理论依据。     

ESD脉冲对集成电路损伤效应的实验研究

为了研究复杂波形脉冲对集成电路的损伤效应,用改变ESD模拟器放电参数产生的不同的静电放电脉冲对某集成电路芯片进行了注入损伤效应实验。给出了各主要的损伤参数与放电电压的散点图,并借助曲线拟合的方法进行了分析。结果表明:IC芯片注入通路上的电阻在脉冲波形发生变化时变化不大,电流随放电电压增大;芯片上的峰值功率及峰值能量与放电电压满足P(W)=AUBD。最后,比较了各脉冲注入下器件的主要参数损伤阈值,得到结论:ESD模拟器放电参数改变对器件损伤阈值大小的影响在1~2倍间,相同参数在不同注入脉冲下的阈值处于同数量级。     

复杂瞬态注入波形的等效简化方法

针对复杂瞬态电磁脉冲差模定向注入试验的技术需求,提出了复杂瞬态注入波形"效应特征参量"的概念,理论分析了各效应特征参量对武器装备干扰和损伤效应的影响,给出了复杂瞬态注入波形等效简化的原则,提出了不带载波和带载波的两类复杂瞬态注入波形的等效简化方法,以某型数据链收发系统为受试对象,开展了电磁脉冲差模定向注入等效替代超宽带电磁脉冲辐射效应试验。研究结果表明:对武器装备的干扰或损伤起决定性作用的波形参量(即效应特征参量)主要包括信号幅度、正负极性、能量(脉宽)、上升时间、载波频率和脉冲重复频率等,其中信号幅度、正负极性、上升时间、载波频率和脉冲重复频率通常决定了受试设备的干扰效应,而信号幅度、正负极性、能量(脉宽)和载波频率通常决定了受试设备的损伤效应;基于加严等效、标准简化和易于工程实现原则,以复杂瞬态注入波形的"效应特征参量"作为等效依据,确定将梯形波或方波脉冲(含带载波)作为等效简化注入波形;在超宽带电磁脉冲辐射和等效方波脉冲注入试验条件下,某型数据链收发系统的干扰恢复时间基本相同,试验结果验证了复杂瞬态注入波形等效简化方法的有效性。该研究结果为武器装备的强电磁脉冲效应研究提供了理论和技术支撑。     

MOSFET寄生参数对纳秒脉冲源输出特性的影响

电力系统中常用脉冲注入的方式来研究电力传感器等二次设备受复杂电磁环境的影响,注入脉冲源前/后沿和幅值一般需要控制在2～50 ns和10～100 kV范围,但脉冲波形受开关器件的影响显著。因此,在此基于线性变压器驱动源的电路拓扑,研究了MOSFET器件的寄生参数对脉冲输出波形的影响。结果表明:栅源电容会减缓脉冲的前后沿,减小输出超调量,栅漏电容会引入电磁干扰(EMI),导致驱动振荡甚至失效,而主回路的能量损耗主要来源于PCB布线设计引入的寄生电感。在此研究基础上设计了扇形和矩形两种PCB布线方式,其中矩形布线的寄生电容较扇形结构减小了56%,寄生电感减小61%,驱动信号的振荡显著降低,单级模块的脉冲前沿时间为5 ns左右,输出幅值可达800 V,基于该模块的多级串联构成注入脉冲源能够满足二次系统抗EMI研究的需要。     

以太网103规约在黑龙江省保信主站和齐齐哈尔热电厂子站之间通信的工程应用

主要设计了黑龙江网络103规约在黑龙江省保信主站和齐齐哈尔热电厂子站之间的通信流程程序.介绍了黑龙江以太网103规约和它相对于其他103规约的特殊之处,以及工程现场的通信网络实际情况.通过通信连接模块、子站配置模块、定值传输模块、波形文件传输模块等的TCP通信方案设计,确保了黑龙江省保信主站和子站之间测量、信号、定值、波形数据文件(*.hdr、*.cfg、*.dat)的可靠传输.说明黑龙江网络103规约数据传输的加密、压缩可以由用户自己权衡和在保护子站功能层面上进行规约数据分析.     

以太网103规约在黑龙江省保信主站和齐齐哈尔热电厂子站之间通信的工程应用

主要设计了黑龙江网络103规约在黑龙江省保信主站和齐齐哈尔热电厂子站之间的通信流程程序。介绍了黑龙江以太网103规约和它相对于其他103规约的特殊之处,以及工程现场的通信网络实际情况。通过通信连接模块、子站配置模块、定值传输模块、波形文件传输模块等的TCP通信方案设计,确保了黑龙江省保信主站和子站之间测量、信号、定值、波形数据文件（*.hdr、*.cfg、*.dat）的可靠传输。说明黑龙江网络103规约数据传输的加密、压缩可以由用户自己权衡和在保护子站功能层面上进行规约数据分析。     

典型米波无线电引信电磁脉冲辐照效应

为客观评价某型米波无线电引信的抗电磁脉冲(EMP)干扰能力,构建了引信电磁脉冲辐照效应试验系统,开展了超宽带电磁脉冲(UWBEMP)、核电磁脉冲(NEMP)、雷电电磁脉冲(LEMP)辐照效应试验,分析了受试引信的效应规律和失效机理。试验结果表明:在电磁脉冲辐照条件下,受试引信最敏感受试姿态为引信装定孔正对天线,弹体方向与电场方向平行;主要能量耦合通道为弹体;一定参数的UWBEMP和NEMP可以造成引信意外发火,而LEMP不能造成引信发火;重复频率越高,电磁脉冲对引信的干扰能力越强,同为70 kV/m的UWBEMP辐照场强,单次、10 Hz重频、20 Hz重频和50 Hz重频触发条件下引信的发火率分别约为20%、60%、80%、100%;晶闸管(SCR)为电磁脉冲作用下引信执行电路的敏感器件;受试引信的失效机理为:辐射能量通过弹体耦合到执行电路电源端,耦合电压瞬态变化率超过了晶闸管断态电压临界上升率而使晶闸管导通,进而导致引信意外发火。     

基于器件内部参数差异的大功率IGBT并联均流控制方法

由于制造工艺和器件老化等原因,不同IGBT模块之间的阈值电压会存在一定差异,并对动态不均流产生很大影响.针对此问题,首先分析了阈值电压差异对并联均流的影响机理;然后建立了阈值电压差异与开通延迟时间之间的量化关系;最后以大功率IGBT模块并联为测试对象,通过对驱动延迟时间进行补偿的方法进行双脉冲测试,验证该方法的有效性....     

飞机静电放电器静电泄放性能的影响参数

飞机静电放电器用于泄放飞机沉积静电,降低飞机沉积静电危害,其静电泄放性能关系飞机沉积静电防护的效果。采用美军标推荐的试验方法,对某型后缘型复合材料飞机放电器静电泄放特性进行了测试、研究。在40kV负极性电压下,受试放电器泄放电流为20.9μA,当气流速度达到100m/s时,泄放电流增加预计达22μA;实测泄放电流值10μA,受试放电器满足泄放电流要求。进一步分析表明:放电电压对放电器泄放电流影响符合抛物线关系,并存在阈值效应;对受试放电器,负极性阈值为20.4kV,正极性阈值为24.5kV;在试验风速下,气流流速对泄放电流影响符合正比例关系,且比例系数正比于所施加电压同阈值电压的差值。     

基于脉冲耦合响应的IGBT故障检测方法

柔性直流换流阀的可靠运行很大程度上取决于阀子模块内的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件,除了子模块的冗余设计,实时检测子模块内IGBT的状态同样具有重大意义。现行的检测手段难以实现IGBT正常状态、老化状态、不同故障状态的快速诊断以及实时同步检测。因此,该文提出一种基于脉冲耦合响应的状态检测方法,该方法通过向集射极注入短时高压脉冲激励,分析脉冲下IGBT等效二端口网络的输出响应,可以在1μs内快速检测IGBT运行状态,并在故障情况下识别故障类型。最后通过实验结果与Pspice仿真结果的对比,验证了所提方法的可行性与正确性。     

通信电源系统智能浪涌保护模块的设计与防护特性

通信电源系统面临着严酷的暂态过电压应力，传统过电压保护器难以兼顾雷电过电压保护水平与长期运行可靠性，其防护失效的问题严重影响通信基站运行的安全可靠性。文中提出了一种由限压型压敏电阻与短路型可控开关组成的智能可控浪涌保护模块的设计理念，通过对直流参考电压、可控比等参数的理论分析与自动能量耦合触发电路的实验研究，研制出了智能过电压防护模块样机，并进行了性能验证实验。浪涌保护模块直流参考电压为2.16 kV，在380 V额定工频电压下运行，其工作的荷电率很低，泄漏电流很小，在标幺值为2(基准值380V)的工频过电压下依然能保持长期的可靠稳定运行。在10 kA范围内(标准8/20雷电流)，浪涌保护模块的冲击残压最大值为1.5 kV，冲击残压与直流参考电压之间的压比约为0.7，远小于常规限压型过电压保护器约1.5的压比。智能浪涌保护模块的过电压保护水平得到了显著的提升，为通信基站的稳定、安全运行提供了有力的保障。     

电源线纳秒级电磁脉冲骚扰防护模块设计

针对常用雷电浪涌保护器无法应对快上升沿电磁脉冲骚扰的问题,设计了一种针对电源线的纳秒级电磁脉冲骚扰综合防护模块。该模块使用时域瞬态抑制和频域滤波相结合的方法,将压敏电阻和瞬态电压抑制器(transient voltage suppressor,TVS)作为瞬态抑制电路的主要器件,并研究了中间去耦电感对两种器件配合的影响;滤波模块考虑了线上共模和差模电磁脉冲干扰的防护。试验结果表明,该模块综合发挥了瞬态抑制和频域滤波的优势,可有效将1.5 kV电磁脉冲信号限制到100 V以下,具有较理想的防护效果。     

10 kV配电变压器高空电磁脉冲效应实验研究

高空电磁脉冲具有场强幅值高、分布范围广、频谱范围宽等特点,可以通过广域分布的配电线缆耦合进入配电变压器,较大的电流变化率会在绕组中感应一定的匝间电压对变压器匝间甚至相间绝缘可能会造成威胁。因此,针对典型10 kV油浸式配电变压器和干式配电变压器开展电磁脉冲效应实验,对比分析其效应现象与阈值规律。搭建了可用于开展10 kV配电变压器运行状态电磁脉冲效应实验的研究平台,主要由10 kV真型配电系统和电磁脉冲注入系统两部分组成,可向10 kV配电变压器共模注入三相纳秒级脉冲电流。基于该实验平台,分别针对所研究的10 kV油浸式配电变压器和干式配电变压器开展系统不带电和系统带电运行状态下的对比效应实验并获取实验数据。结果表明,在该实验脉冲注入电流的幅值范围内,即三相脉冲注入电流最大峰值约为500A,油浸式变压器和干式变压器均具有一定的抗电磁脉冲能力,实验中未发生故障效应。     

并联功率端口不均流对IGBT模块热特性的影响

针对大功率IGBT模块在短路极端运行条件下的可靠性问题,将器件的功率端口不均流现象和由此产生的动态结温变化进行综合分析。首先,通过实验对英飞凌某型3 300 V/1 500 V IGBT模块在短路条件下的并联端口均流特性进行测试,进而得到不同功率端口的功率损耗。其次,采用有限元法构建IGBT模块的热模型,进一步研究功率端口不均流对IGBT芯片瞬态热特性的影响。研究结果表明,短路条件下的端口电流差异可达1 500 A,其导致IGBT结温相差11℃左右,进而增加器件发生瞬时热失效的风险。研究结论可为功率半导体器件的优化设计提供指导。     

1 200 V SiC MOSFET参数分散性对并联均流的影响分析

基于本团队自研并金属封装的1 200V 20A SiC MOSFET器件,开展了器件参数分散性对并联组件均流的影响研究。首先引入器件偏离度和变异系数,分析了三线法和两线法测试平台对器件阈值电压和导通电阻测试结果的影响,得出三线法对于本文的测试结果更加可靠且可测参数更多;基于三线法的测试平台,实验测试了器件的基本特征参数,包括阈值电压、导通电阻、跨导等,并分析了30只器件的分散性,结果表明测试器件跨导的一致性较好,而阈值电压和导通电阻的偏离度较大;最后,以阈值电压和导通电阻为研究对象,选择了器件两参数相近与分散性较大的SiC MOSFET进行并联双脉冲实验,在排除了测试回路寄生参数的基础上,通过实验和仿真对比验证了导通电阻及阈值电压对器件并联均流的影响,结果表明阈值电压对于并联系统开关前后瞬态过程的均流影响较大,阈值电压较小的器件将承担更大的过冲电流,影响并联系统的可靠性;相比开关瞬态过程,导通电阻则是对稳态后的均流影响更大,导通电阻较小的器件将承担更大的电流,影响支路器件的可靠性。