擊穿電壓強(qiáng)度和介電強(qiáng)度的類型和影響因素

擊穿電壓強(qiáng)度和介電強(qiáng)度的類型和影響因素?

一、介電擊穿

在強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng),即介電強(qiáng)度Ec，是絕緣性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)志。

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

不均勻電場介電強(qiáng)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(qiáng)，它低于均勻電場中固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)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(qiáng)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(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量

Q2:單位時(shí)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(shí)Q1>Q2 ，固體電介質(zhì)溫度上升；但當(dāng)溫度度升到Tc時(shí)，發(fā)熱量與散熱量 相等，建立起了熱平衡。此時(shí)，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(huì)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(shí)，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(qiáng)度Ec是發(fā)生熱擊穿的臨界場強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)外電場加速下得到能量。若電子與點(diǎn)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)，

雖然偶而會(huì)有能量大于W1 的電子出現(xiàn)，且因此時(shí)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(huì)擊穿。

A:單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量

B:單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量

E:電場強(qiáng)度

W:電子本身能量

T:晶格溫度

介電強(qiáng)度:處于臨界狀態(tài)的Ec 即為固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度

3）擊穿場強(qiáng)

A.本征電擊穿理論

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

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

本征電擊穿場強(qiáng)，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(qiáng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)。

由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)介質(zhì)不能擊穿，即這時(shí)的介質(zhì)擊穿場強(qiáng)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(qiáng)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(gè)電極伸展到另一個(gè)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(huì)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(shí)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(shí)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(qiáng)度和介電強(qiáng)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(qiáng)度和介電強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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。