高壓放大器在方波脈沖電場下聚酰亞胺空間電荷中的應用

實驗名稱：方波脈沖電場下聚酰亞胺空間電荷的直接檢測技術研究

研究方向：聚酰亞胺薄膜因其優異的電氣性能，在變頻調速電機絕緣系統中得到廣泛應用。然而，方波電場極性反轉的快速過程（ns-μs級）給直接檢測介質內部空間電荷帶來挑戰。本文采用電聲脈沖法，通過優化系統參數，實現了方波電場下空間電荷的直接動態檢測，相位分辨率達1.79°，并降低了電壓波形失真。研究發現，未熱處理的聚酰亞胺在直流電場下存在雙載流子注入和深陷阱注入，導致空間電荷長時間積聚。而在方波電場下，空間電荷主要來自下電極鋁板注入的同極性電荷，電壓極性反轉時可快速抽出，無明顯積累。熱處理可能破壞聚酰亞胺分子鏈，影響表面形貌并增大高頻段介電常數，但對耐擊穿性能影響不明顯。熱處理減弱了直流電場下的正極性電荷注入，加速了空間電荷耗散，但對方波電場下的空間電荷分布影響有限。此外，上升沿時間在100μs-1000μs范圍內對空間電荷積累量和位置分布基本無影響。

實驗目的：方波脈沖電場下聚酰亞胺空間電荷的直接檢測

測試設備：函數發生器，高壓放大器，高壓高頻脈沖源，分壓器，數字示波器，計算機

實驗過程：輸出信號設置為方波波形時，頻率范圍為1μHz至50MHz，方波上升沿下降沿時間不超過5ns。雙通道函數發生器一路輸出頻率和幅值均可調的任意周期電壓信號，經高壓放大器后施加到待測試樣上。高壓放大器最高輸出電壓為20kV,函數發生器另一路輸出周期性的TTL時間信號，同時控制高壓高頻脈沖源產生脈沖激勵和觸發數字示波器采集。高頻高壓脈沖源也為實驗室自主研發裝置，設置為在TTL上升沿時觸發，每次觸發輸出一個脈寬可調（5ns-20ns）的高頻脈沖激勵，脈沖幅值最大可達2.5kV，重復頻率最高為3kHz。高壓脈沖經保護電容耦合到被測試樣上，保護電容的最主要作用是防止高壓放大器輸出傳遞到脈沖源測造成設備損壞。示波器采用具備大數據量保存功能的數字示波器，也采用TTL上升沿觸發，這樣就可保證每次脈沖激勵產生的空間電荷信號都能被保存下來。PEA電極系統是由實驗室自主研發搭建的系統，其中上電極材料為半導電，下電極采用鋁電極。PVDF壓電傳感器將電荷受激振動產生的聲信號轉變為電信號，通過放大器傳送到示波器進行讀取和保存，示波器同時記錄該時刻施加到試樣上的電壓以便后期數據處理。

圖1-1：實驗流程框圖

實驗結果：本文中方波電場頻率fa=50Hz，根據AEPS原理的特征方程，將脈沖激勵的頻率設置為fp=2010Hz，則出現檢測相位重復的最少方波周期數Na為5，該時間段內出現的脈沖數Np為201，根據相位分辨率公式(2-4)可知相位分辨率Δ'約為1.79°。通過圖可以更好的說明AEPS的測量原理。方波頻率為50Hz，脈沖激勵頻率為2010Hz，則在一個方波周期里有2010/50=40.2個脈沖激勵，一個方波周期里包含有40個不重復的脈沖激勵。假設第一個方波周期開始時脈沖在0°相位位置，那么第41個脈沖信號對應的方波相位為41/2010*50*360=367.16°，也即7.16°。從41至80這四十個脈沖信號都對應在第二個方波周期里，且與第一個周期里的脈沖對應的相位都不重復。類似的第81個脈沖信號對應的相位為5.37°，第121個脈沖信號對應的相位為3.58°，第161個脈沖信號對應1相位

圖1-2：方波電場下AEPS采集示意圖

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圖：ATA-7100高壓放大器指標參數

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