Автореферат (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 2

Основные результаты работы получены автором лично.Апробация работыРезультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XLI, XLII, XLIII, XLIV Научно-практических конференциях «Неделя наукиСПбПУ» с международным участием (Санкт-Петербург, 2012 – 2015 гг.); 1ой международной конференции по диэлектрикам 1st IEEE International Conferenceon Dielectrics ICD 2016 (Montpellier, 2016 г.); 2ой международной конференции по диэлектрикам 2nd IEEE International Conferenceon Dielectrics ICD 2018 (Budapest, 2018 г.).ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 9 в изданиях,рекомендованных ВАК, из них 7 – индексируемые в базах Scopus и Web of Science.Структура и объем диссертационной работыРабота состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 166наименований.

Диссертация изложена на 133 страницах, содержит 77 рисунков и 11 таблиц.4СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы исследования и определена степень ееразработанности, сформулирована цель и поставлены основные задачи исследования,указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы,сформулированы положения, выносимые на защиту, а также отмечены степеньдостоверности и апробация полученных результатов.В первой главе рассматриваются роль и место керамических конденсаторов всовременной технике, указаны основные тенденции и перспективы их развития.

Данаклассификация современных керамических конденсаторов, выделены ключевыеособенности сегнетокерамических конденсаторов, приведены примеры типовыхзависимостейнелинейныхэлектрофизическиххарактеристикконденсаторов,существующие системы обозначений для ТСЕ. Изложены базовые представления о физикесегнетоэлектрических материалов и их поведении в электрическом поле. Далее рассмотренаконструкция многослойных сегнетокерамических конденсаторов, технология производстваи используемые материалы.

Отмечено ограниченное количество литературных сведений обэлектрофизических характеристиках сегнетокерамических конденсаторов за пределамирабочих температур и напряженностей поля, а также сведений об их работоспособности приповышенных электрических нагрузках. В завершении главы отмечена актуальностьисследования работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенныхэлектрических нагрузках, обусловленная, с одной стороны, научно-практическиминтересом, с другой – отсутствием литературных сведений по данному вопросу.Во второй главе представлено описание методик исследования нелинейныхэлектрофизических характеристик сегнетокерамических конденсаторов: температурночастотных и температурно-полевых зависимостей диэлектрической проницаемости ε' ифактора потерь ε'', температурной зависимости удельной проводимости сегнетоэлектрика.Также дано описание методик исследования кратковременной электрической прочности иработоспособности при повышенных электрических нагрузках.Объектамиисследованиябылисовременныекоммерческидоступныесегнетокерамические конденсаторы импортного и отечественного производства различныхгрупп ТСЕ, наиболее распространенные в современных электронных устройствах – X7R,Y5V, Z5U, Н50.

Емкость исследуемых конденсаторов составляла 0.47 – 1 мкФ приноминальном рабочем напряжении 50 В.Исследование температурно-частотных и температурно-полевых характеристик ε' и ε''проводилось с помощью анализаторов импеданса Hioki IM3570, Hioki IM3533-01 и Е7-20.Модуль импеданса измерялся при различных температурах, частотах и напряженияхсмещения на конденсаторе с последующим расчетом емкости конденсаторов и угладиэлектрических потерь, пересчитываемых через геометрические параметры конструкцииконденсатора в ε' и ε'':5C1,  '  C  S ,  ''   'tgδ   'tg       'ctg ,20 d Z sin(1)где С – емкость конденсатора, ω = 2πf – круговая частота измерительного сигнала, |Ż| –модуль импеданса, θ – фазовый угол, S – суммарная площадь обкладок конденсатора, d –толщина слоя диэлектрика, ε0 = 8.854·10-12 Ф/м – электрическая постоянная, ε' –относительная диэлектрическая проницаемость, ε'' – фактор потерь.Изучение температурной зависимости удельной проводимости сегнетоэлектрикасводилось к измерению сопротивления изоляции конденсатора при различныхтемпературах с последующим пересчетом в удельную проводимость:Rиз  Uизм ,   d ,I утRиз  S(2)где Rиз – сопротивление изоляции, Uизм – измерительное напряжение, Iут – ток утечки, γ –удельная электропроводность, d – толщина слоя диэлектрика, S – суммарная площадьобкладок конденсатора.Кратковременная электрическая прочность конденсаторов исследовалась с помощьюисточника высокого напряжения, конденсатора подпитки и цифрового осциллографа,регистрирующего спад напряжения на конденсаторе подпитки при пробое соединённогопараллельно с ним испытуемого сегнетокерамического конденсатора.

Для изучения влияниятемпературы на электрическую прочность конденсаторов последние помещались втермический шкаф с температурой нагрева до 350 °С и точностью поддержаниятемпературы ±1 °С.Для исследования работоспособности конденсаторов при повышенных электрическихнагрузках был разработан специальный испытательный стенд (рисунок 1), позволяющийисследовать работоспособность сегнетокерамических конденсаторов при различныхформах переменного напряжения (синус, меандр, пилообразное и т.д.) с частотой от 45 Гцдо 1 кГц при действующих значениях до 600 В. Испытания конденсаторов наработоспособность при повышенных нагрузках производились на синусоидальномнапряжении при частотах 100 Гц, 400 Гц и 1 кГц.Работоспособность сегнетокерамических конденсаторов характеризуется срокомслужбы конденсатора τсл с момента подачи напряжения U с определенным коэффициентомперегрузки kп=U/Uном Температура поверхности конденсаторов непрерывно измеряласьметодом инфракрасной радиационной пирометрии с помощью инфракрасного пирометраOptris LS LT с целью определения момента теплового пробоя.

Напряжение и ток черезконденсатор фиксировались с помощью цифрового осциллографа GW Instek GDS-72072,токовых шунтов и высоковольтных осциллографических щупов. Необходимостьприменения пирометрии продиктована спецификой объектов исследования – относительно6малым размером конденсаторов, при котором применение традиционных контактныхметодов измерения температуры внесло бы существенную погрешность в результатизмерения.ИспытуемыйконденсаторOptris LS LTGW Instek GDS-72072ПКI(t)U(t)APS-77050ТермопараRзащRшЭкспериментальнаяячейкаРисунок 1 – Функциональная схема стенда для изучения работоспособностиконденсаторов при повышенных электрических нагрузкахВ третьей главе изложены результаты исследования нелинейных электрофизическиххарактеристик сегнетокерамических конденсаторов – температурно-частотные итемпературно-полевые характеристики относительной диэлектрической проницаемости ифактора потерь, а также температурная зависимость удельной проводимостисегнетоэлектрика конденсаторов.Типичныетемпературночастотныехарактеристикидиэлектрической проницаемости ифактора потерь для конденсатора типаX7R приведены на рисунке 2.

Ввысокотемпературнойобластидиэлектрические потери в исследуемыхсегнетокерамическихконденсаторахявляются главным образом потерями напроводимость сегнетоэлектрика, чтоследует из линейного характера роста ε''в полулогарифмических координатах.Рисунок 2 – Температурно-частотныеОбнаружено, что рост ε'' начинается схарактеристики ε' и ε'' для конденсатора X7Rтемператур 150 – 200 °C. Частотнаядисперсия ε' в исследуемом диапазоне частот крайне незначительна.7Температурно-полевые характеристики конденсатора типа X7R представлены нарисунке 3.

Диэлектрическая проницаемость для всех исследуемых конденсаторов спадает сростом напряженности электрического поля E пропорционально E-2. Установлено, что дляРисунок 3 – Температурно-полевые характеристики ε' и ε''для конденсатора X7Rфактора потерь также соблюдается пропорциональность ε'' ~ E-2 в диапазоне температур откомнатной до 100 – 160 °C в зависимости от типа ТСЕ.

Данный факт не находит простогообъяснения и представляется новым. Выявлен рост ε'' с напряженностью электрическогополя по мере дальнейшего увеличения температуры до значений 240 – 260 °C. Анализпоказал, что этот рост имеет степенную зависимость от напряженности электрическогополя. Таким образом, полученные характеристики указывают на резкий рост потерь всегнетокерамических конденсаторах, обусловленный как воздействием температуры, так инапряженности электрического поля.Получены температурные зависимости удельной проводимости сегнетоэлектрика дляисследуемых типов конденсаторов, результаты приведены на рисунке 4.

Установлено, чтопроводимость носит термоактивационный характер, а энергия активации имеет двахарактерных значения, в низко- и высокотемпературной областях. Зависимости удельнойпроводимости имеют два участка, разделенных изломом. Это соответствует известной длятвердых диэлектриков формуле термоактивационной проводимости для нескольких видовносителей заряда   0i exp  iWai ,kT где γ0i – предэкспоненциальный множитель, Wai – энергия активации,8(3)Рисунок 4 – Усредненные температурныезависимости проводимости диэлектрика дляисследуемых конденсаторовk = 1.38·10-23 Дж/К – постояннаяБольцмана;T–абсолютнаятемпература.Обнаружено, что большая γсоответствует большему ε'', чтоподтверждаетсуществованиемеханизмапотерьввысокотемпературной области в силусквозной электропроводности.