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局部放电是导致电力设备绝缘劣化或击穿的重要原因之一. 为此, 结合即到达时差法定位原理, 在广义互相关法的基础上, 引入量子遗传算法对局部放电源进行精准定位. 而后以声波传播损耗、反射及折射现象导致的声压衰减效应为研究切入点, 首次建立局部放电源超声波信号标定的数学模型. 结果表明: 在针-板放电模型中, 利用量子遗传算法计算的局部放电源较为精准, 其最大偏差为(0.27 ± 0.13) cm, 与遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法以及广义互相关法相比, 其定位精度分别提高了33.57%, 41.51%, 32.12%以及87.26%. 与此同时, 由于声压衰减效应, 当测量得到的超声信号电压幅值相同时, 随着测试距离增大, 放电源处的视在放电量逐渐增加. 若测试距离为37.80 cm时, 局部放电源的视在放电量为633.83 pC, 与7.00 cm相比, 放电强度增大了28.51%. 局部放电源的放电曲线与标定拟合曲线几乎完全重合, 验证了放电源放电程度标定模型的准确性.In the insulation system of power equipment, the partial discharge (PD) of short period does not cause the insulation to produce the penetrating breakdown, however the long-term PD of is one of the important causes of local deterioration, and even breakdown in dielectric. Therefore, it is very important to study the location of PD source and the calibration of discharge intensity. To achieve this, in this paper we take the needle-plate discharge model for example and go through the following steps respectively. Firstly, combined with the positive correlation between the ultrasonic signal and the apparent discharge magnitude in the process of PD, the ultrasonic method to detect partial discharge can be implemented. Then, based on the principle of time difference of arrival method (TDOAM), the accuracy of location is analyzed by using quantum genetic algorithm (QGA), genetic algorithm (GA), simulated annealing algorithm (SAA), particle swarm optimization (PSO) and generalized cross correlation method (GCC), respectively. And thus, starting from the study of the attenuation effect of sound pressure caused by the propagation loss, reflection and refraction of acoustic wave, the calibration model of PD intensity is established for the first time after determining the location of PD source with high precision. Some important findings are extracted from simulations and experimental results. First, the localization algorithm of PD source with high precision is observed. The localization of PD source by means of QGA is the most accurate, with maximum deviation of (0.27 ± 0.13) cm. Comparing with GA, SAA, PSO and GCC, the accuracy of location is improved by 33.57%, 41.51%, 32.11% and 87.26%, respectively. Second, due to the attenuation effect of sound pressure, when the measured voltage amplitude of ultrasonic signal is the same, the apparent discharge magnitude of PD source gradually increases with the test distance increasing. When the test distance is 37.80 cm, the apparent discharge magnitude of PD source is 633.83 pC, which increases by 28.51% compared with 7.00 cm. Moreover, simulation results and measurement results are compared with each other and they are well consistent. The discharge curve almost coincides with the calibration fitting curve of PD source when the test distance is 7.00 cm. Finally, it is concluded that the discharge intensity calibration model of PD source is accurate, which is of great significance in evaluating the extent of insulation damage.
1. 引 言
随着空间卫星、深空探测等航天技术的不断发展, 对于耐高温、大功率、小型化、适应极端辐射环境的电源系统需求日益明显[1-4]. 氮化镓(GaN)基功率器件作为宽禁带半导体技术的核心代表之一, 相较于传统的硅器件具有击穿电压高、导通电阻小以及耐高温等优点, 可满足新一代航天器电源系统的应用需求. 由于采用异质结层替代栅氧层工艺, GaN等宽禁带器件天然具有较好的抗总剂量效应(total ionizing dose effect, TID)能力, 但其对空间高能粒子导致的单粒子效应(single event effect, SEE)较为敏感[5-7]. 目前国内外针对GaN器件的总剂量效应研究相对较多, 主要涉及抗辐射GaN材料和工艺加固设计、p型栅结构增强型GaN器件的实验评估和影响因素研究. 相关实验研究发现, 增强型GaN器件的抗总剂量水平可达到1 Mrad(Si), 并初步揭示了其总剂量辐射损伤机理[7-13]. 但目前有关共源共栅级联结构(Cascode)GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)器件的总剂量效应研究报道较少, 尤其是对比研究不同电路结构GaN HEMT器件的总剂量效应的特征与规律尚存在明显不足. 相对于总剂量效应, GaN器件单粒子效应研究相对薄弱, 主要集中在GaN器件单粒子失效模式和表现特征的实验研究, 以及相关辐射损伤机理研究存在不足, 严重制约了GaN器件在航天器电源系统的广泛应用.
本文针对GaN Systems公司p型栅结构和Transphorm公司共源共栅级联结构的增强型GaN HEMT器件, 利用重离子加速器和60Co γ射线分别进行了单粒子烧毁(single event burnout, SEB)效应和总剂量效应实验研究, 获得了GaN HEMT的辐射响应特征、敏感参数和区域, 并揭示了Cascode型GaN HEMT对SEB和总剂量辐射敏感的物理机理.
2. 实验条件和样品
利用中国原子能科学院H-13串列加速器, 开展了GaN HEMT的SEB效应研究. 辐照离子分别为能量169 MeV的48Ti离子和210 MeV的74Ge离子, 线性能量传输值(linear energy transfer, LET)分别为21.8和37 MeV·cm2/mg, 束流强度和注量分别为2 × 104 cm–2/s和5 × 106 cm–2. 利用北京大学60Co γ射线总剂量实验模拟源, 开展了GaN HEMT的总剂量效应研究, 辐照剂量率为100 rad(Si)/s, 累积辐照总剂量分别为200 krad(Si), 500 krad(Si) 和1 Mrad(Si), 辐照实验参数采用在线测试. 总剂量辐照后采用室温168 h退火测试, 单粒子和总剂量实验现场图如图1所示.
单粒子效应和总剂量效应实验样品分别选用同一批次GaN Systems公司650 V GS0650111L型和Transphorm公司900 V TP90H180PS型的GaN HEMT各5片, 正面开封图如图2所示, 实验样品信息如表1所列. 单粒子效应实验器件均经过正面开盖处理且功能测试正常. GaN HEMT单粒子效应和总剂量效应的辐照实验电路参照MIL-STD-750D标准, 如图3所示, 在器件漏源端和栅源端分别通过串联电阻和并联电容接入Keithley2470和2450型圆表, 用来提供器件的偏置电压和监测器件漏源端电流、阈值电压等电学参数变化. GaN HEMT单粒子效应实验偏置条件采用关态偏置: 漏源电压Vds为0—650 V(900 V), 栅源电压Vgs为–5, –3, –1和0 V. 总剂量效应实验偏置条件采用关态和开态两种偏置, 其中关态偏置: Vds与Vgs均为0 V, 开态偏置: Vgs为2.6 V, Vds为1 V.
型号 类型 结构 额定电压/V 导通电阻/mΩ 生产厂商 GS0650111L 增强型 p型栅 650 150 GaN Systems TP90H180PS 增强型 Cascode 900 205 Transphorm 3. 实验结果
3.1 单粒子效应实验结果
图4(a)给出了GS0650111L和TP90H180PS器件分别在能量为210 MeV的Ge (LET值为37 MeV·cm2/mg)和能量为169 MeV的Ti (LET值为22 MeV·cm2/mg)离子辐照下, 器件漏源电压Vds随栅源电压Vgs的变化关系, 即器件SEB效应的安全工作区域. 当入射粒子LET值分别为37和22 MeV·cm2/mg时, 随着器件的栅极电压Vgs从–5 V增加到0 V, GS0650111L和TP90H180PS器件的漏极电压Vds分别保持650和50 V不变. GS0650111L和TP90H180PS器件漏端电流Id和栅端电流Ig随辐照时间的变化如图4(b)所示, 在粒子LET值为37 MeV·cm2/mg辐照下, GS0650111L器件漏极电压为650 V时, 器件漏端电流Id和栅端电流Ig未出现明显变化, 而当粒子LET值降为22 MeV·cm2/mg, 器件漏极电压为100 V时, TP90H180PS器件漏端电流Id随时间不断增大, 直到限流值10 mA, 栅端电流基本保持不变, 表现出明显的漏端大电流现象.
图5为TP90H180PS器件发生SEB效应的实物图, 从图5(a)可以发现Cascode结构中的耗尽型GaN HEMT出现了SEB现象, 且主要发生在插指结构的金属布线层上, 而硅(Si)金属氧化物场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)未出现SEB现象. 图5(b)所示为利用金相显微镜拍照分析提取的器件SEB区域细节, 可以看到器件金属布线层中的栅区域和漏区域之间出了明显的烧毁现象.
3.2 总剂量效应实验结果
图6所示为TP90H180PS和GS0650111L器件工作在开态和关态偏置时, 器件漏电流随辐照累积剂量的变化. 当器件工作在开态偏置条件时, 从图6(a)可以看到, 随着辐照累积剂量增大到200 krad(Si)时, GS0650111L器件的漏电流从正常工作电流约2.1 nA增大到约150 µA, 当辐照剂量累积到1 M rad(Si)时, 器件漏电流减小约为75 µA. 之后, 随着退火时间增加, 器件漏电流不断减小, 当经过约50 h的室温退火后, 器件的漏电流基本上恢复至正常工作电流值, 而TP90H180PS器件在辐照剂量累积到1 Mrad(Si)时, 器件的漏电流基本未发生变化. 当器件工作在关态偏置条件下, 漏电流约为20 nA. 从图6(b)可以看到, 当辐照累积剂量增加到1 Mrad (Si)时, GS0650111L器件漏电流基本保持不变, 随后经过168 h的退火后, 器件的漏电增大到约15 µA, 此时器件的功能正常. TP90H180PS器件随着辐照累积剂量增加, 漏电流在不断增加, 累积剂量为1 Mrad (Si)时, 漏电流增大到约10 µA, 但经过168 h小时的室温退火后, 漏电流恢复至正常工作电流值附近.
在开态和关态辐照偏置时, TP90H180PS和GS0650111L器件阈值电压随辐照累积剂量的变化如图7所示. 从图7(a)可以看到, 当辐照时器件工作在开态偏置条件时, 随着辐照累积剂量增大到1 Mrad (Si)时, TP90H180PS器件的阈值电压负向偏移约为5 V, GS0650111L器件阈值电压基本保持不变. 当经过168 h室温退火后, TP90H180PS器件的阈值电压仍处于负向偏移状态, 器件的功能出现异常. 当器件工作在关态偏置条件下, 由图7(b)可见, 辐照累积剂量增加到1 Mrad(Si)时, TP90H180PS器件的阈值电压负向偏移量约为1.7 V, 且经168 h的退火仍未恢复, 此时器件的功能异常, GS0650111L器件随着辐照累积剂量增加, 其阈值电压基本保持不变.
4. 讨 论
4.1 单粒子效应
从图4中在不同LET值辐照下, TP90H180PS和GS0650111L器件漏端和栅端电流随时间的变化可以发现, 相对于p型栅结构, Cascode结构的GaN器件对单粒子效应更加敏感. 在LET值为22 MeV·cm2/mg的粒子辐照下, TP90H180PS器件工作电压从900 V衰减到50 V, 下降近95%, 此时器件的漏极电流出现明显的增大, 而栅极电流基本保持不变.
重离子辐照后, TP90H180PS器件在关态模式下, 器件的栅、漏电流随漏端电压的变化如图8所示. 可以看到, 器件的栅极电流仍保持在纳安量级, 即器件的栅源端处于截止状态, 而随着漏极电压增加, 器件的漏极电流在不断增大, 即表明器件漏源区域之间存在导电通道. 进一步对图9(a)所示的Cascode GaN器件内部电路结构分析可得, TP90H180PS型GaN器件电路由低压增强型Si MOSFET和高压耗尽型GaN HEMT共源极、共栅极级联组成. 当器件处于反偏截止状态时, 低压增强型Si MOSFET截止, 高压耗尽型GaN HEMT的漏极、栅极以及Si MOSFET的源极可形成TP90H180PS器件的源漏漏电路径, 导致器件源漏端出现大电流现象, 这可能是图5中TP90H180PS器件SEB区域主要在高压耗尽型GaN HEMT的主要原因. 此外, 分析图9所示的耗尽型GaN HEMT的剖面结构[14]可以发现, GaN器件的源端、栅端和漏端通过AlGaN势垒层和GaN沟道层隔离(二者之间形成了二维电子气). 由于GaN器件栅源端接地, 内部Si MOSFET处于截止状态, 在耗尽型GaN HEMT和Si MOSFET G_Si及D_Si构成的电流路径上电流极小, 即GaN器件栅极电流很小. 当重离子入射耗尽型GaN HEMT时, 在粒子入射的径迹上势必产生大量的电子空穴对, 由于耗尽型GaN HEMT的漏栅极之间存在高压偏置, 导致辐射诱发的载流子向器件AlGaN层不断注入, 随着辐射诱发的电子浓度在AlGaN势垒层中不断积累, 栅电极与半导体形成的肖特基势垒宽度不断减小, 促使辐射诱发的电子隧穿栅势垒[15-17], 形成耗尽型GaN HEMT的漏端、栅端和Si MOSFET源端的大电流路径, 与图5(b)中耗尽型GaN器件栅漏端之间出现SEB的现象一致.
p型栅结构GaN HEMT的剖面结构如图10所示. 二维电子气存在于AlGaN势垒层和GaN沟道层之间, 通过施加栅极电压控制p型GaN和n型AlGaN形成PN结的导通与截止, 实现GaN HEMT的开关特性. 当重离子入射GaN HEMT时, 辐射诱发的电子相对较难连续穿过AlGaN势垒层和p型GaN, 形成类似耗尽型GaN HEMT的栅漏端大电流通道. 相关的研究报道发现, 单粒子入射p型栅GaN HEMT可能会导致器件AlGaN势垒层局部出现缺陷, 造成器件源漏端漏电增大. 当漏电流增大到一定的程度时, 会导致器件的介质层被击穿, 进而出现大电流现象. 但通过聚焦离子束扫描技术(focused ion beam, FIB)发现, GS0650111L器件的介质层厚度远大于1 µm, 较难被单粒子辐射感生载流子形成的电场击穿, 这可能是p型栅结构GaN HEMT单粒子烧毁LET阈值相对较高的原因.
4.2 总剂量效应
分析图6和图7可发现, 与国内外相关GaN HEMT的总剂量实验研究报道相一致, p型栅结构的GS0650111 L型GaN器件具有较强抗总剂量效应能力, 在辐照总剂量累积到1 Mrad(Si)时, 在开态和关态偏置条件下, 器件的漏电流和阈值电压基本保持不变. 室温退火时, 器件的漏电流略有增加, 但器件的输出和转移功能正常. 由图9(b)和图10(a)中所示的GaN HEMT剖面图可发现, GaN HEMT主要通过AlGaN势垒层和GaN沟道层之间极化的二维电子气漂移扩散产生电流, 不存在栅氧化层工艺, 总剂量效应主要通过在p型GaN和SiN钝化层界面或AlGaN势垒层和GaN沟道层界面处产生额外的感生界面陷阱电荷, 进而影响器件的性能参数与功能[18]. 由于GaN HEMT界面层厚度较薄且界面陷阱电荷迁移率较低, 极大地抑制了总剂量辐射诱发界面陷阱电荷的数量和作用范围, 这可能是p型栅结构GaN HEMT对总剂量辐射不敏感的主要原因. 此外, 由于总剂量效应累积剂量较高, 总剂量辐射感生的界面陷阱在室温退火时可能会继续增长, 进而造成器件漏极电流增加[19].
与p型栅GaN HEMT的总剂量辐射响应特征相反, Cascode结构的TP90H180PS型GaN HEMT在开态和关态偏置条件下, 均表现出对总剂量效应较为敏感. 在开态偏置条件下, 当辐照总剂量累积到200 krad(Si)时, 器件的漏电流和阈值电压出现明显增加; 在关态偏置条件下, 器件的漏电流在累积剂量为500 krad(Si)时显著增加, 器件功能出现异常. 分析TP90H180PS型GaN HEMT的内部电路结构可知, 器件漏电流、阈值电压、开关频率等性能参数均受低压NMOSFET的影响. 众所周知, 商用Si NMOSFET对总剂量效应非常敏感, 通常会造成器件的漏电流增加和阈值电压负向偏移[20]. 这可能是总剂量效应导致TP90H180PS型GaN器件漏电流增加和阈值电压负向偏移的主要原因.
5. 结 论
本文利用重离子加速器和60Co γ射线实验装置, 分别开展了p型栅和Cascode结构增强型GaN HEMT的单粒子效应和总剂量效应实验研究. 研究获得了不同结构GaN HEMT的单粒子效应响应特征及安全工作区域, 获得了不同工作模式下, 不同结构GaN HEMT的总剂量效应表现特征与规律. 值得注意的是, 研究发现p型栅结构GaN HEMT具有较强的抗单粒子和总剂量能力, 但是Cascode结构的GaN HEMT对单粒子效应和总剂量效应均很敏感. 实验研究揭示了单粒子辐射诱发耗尽型GaN HEMT栅极肖特基势垒发生电子隧穿可能是导致Cascode结构GaN HEMT出现SEB的内在机制, 以及Si NMOSFET是导致Cascode结构GaN HEMT对总剂量效应敏感的可能原因.
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Fig. 1. Test system schematic diagram of ultrasonic testing (T1, isolating transformer; T2, voltage regulator; C1, L1, low-voltage low-pass π filter; T3, high voltage test transformer; C2, L2, high-voltage low-pass filter; CK, coupling capacitor; Zin, detection impedance; T, Tank; S, piezoelectric sensor; AMP, preamplifier; DAQ, data acquisition card).
表 1 局部放电的超声定位精度比较
Table 1. Comparison of ultrasonic location accuracy of PD.
使用算法 研究对象 综合距离误差ΔR/cm 最大偏差Dmax/cm 广义互相关算法 油箱体内 3.9 4.4 时延法 变压器绝缘 0.8 0.6 基于高斯-牛顿迭代的等值声速修正算法 1.7 1.6 粒子群优化算法 2.2 1.9 遗传算法 1.8 2.0 多平台测向与全局搜索的阵列定位的结合 三电容放电管模型 7.8 6.0 基于测向线公垂线中点的局部放电相控超声几何定位算法 13.9 10.3 Chan算法 电缆绝缘 9.0 12.0 表 2 QGA的程序过程
Table 2. Procedures of QGA.
过程 程序 种群初始化 $Q\left( t \right) = \left| { {\psi _{q_j^0} } } \right\rangle = \displaystyle\sum\limits_{k = 1}^{ {2^m} } {\dfrac{1}{ {\sqrt { {2^m} } } }\left| { {S_k} } \right\rangle }$ 预设进化条件 Cmax, t, N, Pmax, Pc 算法实现 For t = 1, 2, 3, ···, Cmax for i = 1, 2, ···, N ${P_i} = {f_i}\Big/\sum\limits_{i = 1}^N { {f_i} }$ $\quad P(t) = \left\{ {p_1^t, p_2^t, \cdots, p_n^t} \right\},$ ${P_c} \!=\! \left\{\!\!\!\! \begin{array}{l}\dfrac{ { { {P_{c\max} } + {P_{\min} } } } }{ {1 \!+\! \exp\left\{ {A\left[ {\dfrac{ {2(f-f')} }{ { {f_{\max} } - {f_{\rm{avg} } } } } } \right]} \right\} } } \!+\! {P_{c\min} }, ~{f \!\geqslant\! {f_{\rm{avg} } } } \\ {P_{c\max} }, \qquad\quad\qquad\qquad\quad\qquad\qquad{f \!\leqslant\! {f_{\rm{avg} } } } \end{array} \right.$ ${P_m} \!=\! \left\{\!\!\!\! \begin{array}{l} \dfrac{ { { {P_{m\max} } - {P_{\min} } } } }{ {1 \!+\! \exp\left\{ {A\left[ {\dfrac{ {2( {f'' - f'})} }{ { {f_{\max} } - {f_{\rm{avg} } } } } } \right]} \right\} } } \!+\! {P_{m\min} }, ~~{f'' \geqslant {f_{\rm{avg} } } } \\ {P_{m\max} },\;\;\; \qquad\quad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad{f'' \leqslant {f_{\rm{avg} } } } \end{array} \right.$ ${F_{t + 1} }({U({x, y, z, {v_{\rm{e} } }})}) \!=\! {C_{t\max} } \!-\! {U_t}( {x, y, z, {v_{\rm{e} } }})$ $X_i \;\& \; x_{ {\rm best}, i}\; \& \; f(x) > f(x_{ {\rm best}, i}) \; \& \; \Delta \theta_i$ S(αi, βi); end end S(αi, βi); P(t); X; 表 3 量子旋转门的调整策略
Table 3. Adjustment strategies of quantum rotation gates.
xi xbest,i f (x) > f (xbest,i) Δθi S(αi, βi) αi βi > 0 αi βi < 0 αi = 0 βi = 0 0 0 false 0 0 0 0 0 0 0 true 0 0 0 0 0 0 1 false 0.01π +1 –1 0 ± 1 0 1 true 0.01π –1 +1 ± 1 0 1 0 false 0.01π –1 +1 ± 1 0 1 0 true 0.01π +1 –1 0 ± 1 1 1 false 0 0 0 0 0 1 1 true 0 0 0 0 0 表 4 局部放电定位的算法参数
Table 4. Algorithm parameters of PD localization.
算法 参数 数值 QGA 群体数量 40 最大遗传次数 200 GA 群体数量 40 最大遗传次数 200 重组概率 0.9 变异概率 0.01 SAA 初始温度 10 最终温度 0.0001 衰减系数 0.8 冷却新状态迭代次数 1000 PSO 种群大小 40 学习因子 2 初始惯性权值 0.9 原始粒子群 1 迭代次数 100 表 5 不同算法的局部放电定位
Table 5. The PD location of different algorithms.
算法 位置 实验组1 (12, 14, 6) cm 实验组2 (14, 10, 6) cm 实验组3 (15, 11, 6) cm 实验组4 (16, 12, 6) cm QGA (11.79, 13.61, 5.78) (13.78, 9.88, 6.06) (14.88, 10.86, 5.90) (15.82, 11.84, 5.88) GA (12.33, 14.24, 5.73) (13.62, 10.22, 6.16) (14.65, 11.24, 6.22) (16.34, 12.30, 6.24) SAA (11.58, 13.41, 5.78) (13.66, 10.32, 6.24) (15.34, 11.22, 6.20) (16.32, 12.28, 6.26) PSO (12.12, 14.21, 6.15) (14.32, 9.72, 5.84) (15.42, 11.28, 6.30) (16.42, 12.34, 6.32) GCC (13.38, 15.06, 7.42) (15.51, 9.62, 6.94) (15.71, 8.32, 7.24) (14.76, 10.31, 7.13) 表 6 系统灵敏度和相关系数的变化
Table 6. Change of system sensitivity and correlation coefficients.
电缆纸厚度/mm 系统灵敏度 相关系数 2 14.91 0.99 3 14.37 0.99 4 14.84 0.99 表 7 局部放电的线性系数
Table 7. Linear coefficients of PD.
线性系数 K0 K1 K2 K3 K4 数值 5.01 2.98 2.93 2.86 2.95 -
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