擊穿電壓強度和介電強度的類型和影響因素

擊穿電壓強度和介電強度的類型和影響因素?

一、介電擊穿

在強電場作用下，電介質(zhì)喪失電絕緣能力，電介質(zhì)的電導(dǎo)突然增大甚至引起結(jié)構(gòu)損壞或破碎，稱為介電擊穿。

a.可用擊穿效應(yīng)來破碎非金屬礦石等

b.擊穿是標(biāo)志電介質(zhì)在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，是決定電力設(shè)備，電子元器件最終使用壽命的重要因素。

二、.擊穿電壓

       導(dǎo)致?lián)舸┑牡团R界電壓稱為擊穿電壓

三、介電強度

電介質(zhì)能夠經(jīng)受而不致?lián)p壞的最大電場稱為擊穿場強,即介電強度Ec，是絕緣性能好壞的一個重要標(biāo)志。

均勻電場介電強度:擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱為擊穿電場強度（簡稱擊穿場強，又稱介電強度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強度。

不均勻電場介電強度:擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱為平均擊穿場強，它低于均勻電場中固體電介質(zhì)的介電強度。

固體電介質(zhì)的擊穿類型及影響因素?

熱擊穿、電擊穿和電化學(xué)擊穿

（一） 固體電介質(zhì)的熱擊穿

發(fā)生在高頻、高壓下。熱擊穿的核心問題是散熱問題.

1）熱擊穿的本質(zhì)

在電場作用下，固體電介質(zhì)承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過高而導(dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。 

2）熱擊穿過程

固體電介質(zhì)在電場作用下將因電導(dǎo)和極化損耗而發(fā)熱。

A.外加電場為E3>Ec 

固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量Q1大于散熱量Q2 ，介質(zhì)溫度上升，且因Q1 始終大于Q2，所以固體電介質(zhì)的溫度不斷上升，最終介質(zhì)被燒焦、燒熔、或燒裂，喪失絕緣性能，發(fā)生熱擊穿。

Q1：單位時間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量

Q2:單位時間內(nèi)固體電介質(zhì)的散熱量

E3 > Ec > E1 

B.外加電場為E1< Ec

雖然開始時Q1>Q2 ，固體電介質(zhì)溫度上升；但當(dāng)溫度度升到Tc時，發(fā)熱量與散熱量 相等，建立起了熱平衡。此時，若介質(zhì)能耐受溫度Tc的作用，則固體電介質(zhì)能正常工作，不會發(fā)生熱擊穿。

介質(zhì)中發(fā)熱與散熱平衡關(guān)系示意圖

C.外加電壓為等于Ec

當(dāng)介質(zhì)溫度升到Tc時，建立起了熱平衡，但不穩(wěn)定。溫度略有升高，發(fā)熱量Q1即大于散熱量Q2，最終仍然發(fā)生熱擊穿。電場強度Ec是發(fā)生熱擊穿的臨界場強Ec 。

3）熱擊穿電壓

1）溫度不均勻的厚膜介質(zhì)

A，B是與材料有關(guān)的常數(shù)。

 (1)熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。

(2)熱擊穿電壓大致不隨介質(zhì)的厚度變化。

2.溫度均勻薄膜介質(zhì)

e為自然對數(shù)的底， Uc隨試樣厚度的平方根而變化。

（二） 固體介質(zhì)的電擊穿

電擊穿 取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式。電場使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的自由電子，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。

1）電擊穿的本質(zhì)

電擊穿是介質(zhì)在強電場作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起.

電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子在強外電場加速下得到能量。若電子與點陣碰撞損失的能量小于電子在電場加速過程中所增加的能量，則電子繼續(xù)被加速而積累起相當(dāng)大的動能，足以在電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生碰撞電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結(jié)果電導(dǎo)急劇上升，最后導(dǎo)致?lián)舸?/p>

2）電擊穿的過程

1)外加電場為 E2  > Ec

一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2  ～Wc  之間，單位時間內(nèi)這些電子取得的能量A始終大于失去的能量B，電子被加速，碰撞晶格時產(chǎn)生電離，使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上升，最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。

2)外加電場為E1 < Ec 時，

雖然偶而會有能量大于W1 的電子出現(xiàn)，且因此時A > B而使晶格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于W1 的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn)，固體電介質(zhì)不會擊穿。

A:單位時間內(nèi)這些電子取得的能量

B:單位時間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量

E:電場強度

W:電子本身能量

T:晶格溫度

介電強度:處于臨界狀態(tài)的Ec 即為固體電介質(zhì)的介電強度

3）擊穿場強

A.本征電擊穿理論

多發(fā)生在溫度較低、電壓作用時間較短時，純凈、均勻固體電介質(zhì)中。

當(dāng)電場上升到使平衡破壞時，碰撞電離過程便立即發(fā)生。把這一起始場強作為介質(zhì)電擊穿場強的理論即為本征擊穿理論.

本征電擊穿場強，隨溫度升高而降低。

B. “雪崩"電擊穿理論

電擊穿判據(jù)：

1）“雪崩"電擊穿理論以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定數(shù)值（足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)）作為電擊穿判據(jù)。

2）Seitz提出以電子“崩"傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。

“雪崩"電擊穿和本征電擊穿在理論上有明顯的區(qū)別：

本征擊穿理論中增加導(dǎo)電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的，而“雪崩"擊穿是考慮到高場強時，導(dǎo)電電子倍增過程逐漸達(dá)到難以忍受的程度，最終介質(zhì)晶格破壞。  

“四十代理論"

從陰極出發(fā)的電子，一方面進(jìn)行“雪崩"倍增；另一方面向陽極運動。

由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運動的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便擊穿。一般用來說明“雪崩"擊穿的形成，并稱之為“四十代理論"。

由“四十代理論"可以推斷，當(dāng)介質(zhì)很薄時，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電子崩已進(jìn)入陽極復(fù)合，此時介質(zhì)不能擊穿，即這時的介質(zhì)擊穿場強將要提高。

（三）電化學(xué)擊穿

1）電化學(xué)擊穿本質(zhì)

在電場、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)因緩慢的化學(xué)變化，而引起其電氣性能逐漸劣化，最終由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)體狀態(tài)的過程。

2）電化學(xué)擊穿過程

包括兩部分：因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化；

與老化有關(guān)的擊穿過程。 

電介質(zhì)中強電場產(chǎn)生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學(xué)反應(yīng)。

化學(xué)老化擊穿過程

1）直流電壓下， 固體電介質(zhì)因離子電導(dǎo)而發(fā)生電解，結(jié)果在電極附近形成導(dǎo)電的金屬樹狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極。結(jié)果在兩電極間構(gòu)成導(dǎo)電的通路

2）在電場作用下，固體電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡中， 或不同固體電介質(zhì)之間的氣隙或油隙中，會發(fā)生局部放電，造成局部電導(dǎo)增加而出現(xiàn)局部擊穿，并逐漸擴(kuò)展成*擊穿。 

溫度越高，電壓作用時間越長，化學(xué)形成的擊穿也越容易發(fā)生。 

離子陶瓷材料的電化學(xué)老化現(xiàn)象

指在電場作用下，由于化學(xué)變化引起材料電性能不可逆的惡化。

電化學(xué)老化的原因

   (1)陽離子-陽離子電導(dǎo)  

參加導(dǎo)電的為陽離子。同時電極的Ag+也能參與漏導(dǎo)。最后兩種離子在陰極處都被電子中和，形成新物質(zhì)。

    (2)陰離子-陽離子電導(dǎo)  

參加導(dǎo)電的既有正離子，也有負(fù)離子。它們分別在陰極、陽極被中和，形成新物質(zhì)。    

(3)電子-陽離于電導(dǎo)  

參加導(dǎo)電的為一種陽離子，還有電子。例如含鈦陶瓷，陽離子Ti 4+發(fā)生電還原過程

 Ti 4+ + e → Ti 3+

 (4)電子-陰離子電導(dǎo) 

 參加導(dǎo)電的為一種陰離子，還有電子。例如TiO2在高溫下發(fā)生缺氧過程，在高溫下，氧離子在陽極放出氧氣和電子，在陰極Ti 4+被還原成Ti 3+

    陰極    4 Ti 4+ + 4e → 4 Ti 3+

    陽極   2O 2-  → O2 ↑ +  4e

電化學(xué)老化的必要條件
      介質(zhì)中的離子至少有一種參加電導(dǎo)。如果電導(dǎo)純屬電子，則電化學(xué)者化不可能發(fā)生。

三、影響擊穿電壓強度和介電強度的因素

同一種電介質(zhì)中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素。隨著擊穿過程中固固體電介質(zhì)內(nèi)部的變化，擊穿過程可以從一種形式轉(zhuǎn)為另一種形式。 

四、提高擊穿電壓強度和介電強度措施

根據(jù)固體電介質(zhì)的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素，提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要措施有：

1改善電場電場分布，如電極邊緣的固體電介質(zhì)表面涂半導(dǎo)電漆；

2調(diào)整多層絕緣中各層電介質(zhì)所承受的電壓；

3對多孔性、纖維性材料晶干燥后浸油、浸漆。以防止吸潮，提高局部放電起始電壓；

4加強冷卻，提高熱擊穿電壓；

5改善環(huán)境條件，防止高溫，避免潮氣﹑臭氧等有害物質(zhì)的侵蝕。