航天高電壓設(shè)備的絕緣防護(hù)研究

成鋼，王少寧

（蘭州空間技術(shù)物理研究所甘肅蘭州730000）

航天電子設(shè)備與普通的地面設(shè)備相比較有著特殊的使用環(huán)境，因此在許多方面有著特殊的要求。首先面臨的是真空和失重的環(huán)境，對于暴露在飛行器艙外的電子設(shè)備，其環(huán)境溫度的變化非常劇烈。因此在設(shè)計(jì)方面應(yīng)有不同的設(shè)計(jì)原則。電子設(shè)備的絕緣問題在高電壓設(shè)備中表現(xiàn)更為明顯。有些絕緣是在經(jīng)過幾個(gè)月不受控的地面大氣環(huán)境后進(jìn)入到空間真空環(huán)境，在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)歷焊接時(shí)的高低溫沖擊、安裝時(shí)的變形、環(huán)境實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度循環(huán)、力學(xué)沖擊振動等，甚至暴露在不潔凈的空氣環(huán)境中。這些除電氣應(yīng)力之外的機(jī)械應(yīng)力或化學(xué)應(yīng)力都會導(dǎo)致性能快速惡化并最終形成絕緣的擊穿。

1 低氣壓放電

按照航天電子產(chǎn)品對高低電壓的分類，當(dāng)設(shè)備的工作電壓大于55 V時(shí)就認(rèn)為屬于高壓電子設(shè)備[1]（也有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為大于250 V的[2]）。該定義和一般工業(yè)設(shè)備的定義完全不一樣，這也是因?yàn)楹教飚a(chǎn)品特殊的工作環(huán)境決定的。

正常大氣壓下的氣體絕緣和低氣壓下的氣體絕緣性能有著巨大的差別，該差別可以通過巴申定律（Paschen Law）來說明：氣體發(fā)生放電的初始電壓是一個(gè)跟氣體密度（氣壓）、極間氣隙距離有關(guān)的函數(shù)。對于所有的氣體或氣體混合物來說，存在一個(gè)電極間的最小電壓，當(dāng)電位高于此最小值時(shí)，雪崩放電所需要的初始值可以基于氣體或氣體混合物的帕邢曲線來確定。如圖1所示。在某一特定的氣體壓強(qiáng)下，存在最小的放電電壓。而氣壓高于或低于該氣壓時(shí)，放電電壓逐漸變大，氣體的絕緣強(qiáng)度增強(qiáng)。氣體壓強(qiáng)越大，氣體分子密度越大，其中的質(zhì)點(diǎn)就越容易發(fā)生碰撞，因而氣體的分子平均自由程就越小。對于同一種氣體，其分子的平均自由程與氣體的絕對溫度成正比，與氣體的壓力成反比[3]。帶電的金屬表面電離出的帶電粒子在電場的作用下逸出與氣體離子發(fā)生碰撞，發(fā)生雪崩擊穿。關(guān)于氣體的放電機(jī)理在許多文章和資料中都有論述，不同的放電形式有不同的放電理論，電場中的氣體擊穿過程一般可以通過湯遜氣體放電理論和流注理論來說明，這里不再敘述。

2 航天高電壓電子設(shè)備

航天產(chǎn)品的發(fā)射過程、使用環(huán)境要經(jīng)歷一個(gè)從常壓到低氣壓，再到極低氣壓的過程。對于航天高壓電氣/電子產(chǎn)品來說，因?yàn)楹教炱鞯墓ぷ鳝h(huán)境是變化的，因此在航天器內(nèi)部或外部不可避免地會出現(xiàn)壓力的累積。在任務(wù)周期內(nèi)，航天器內(nèi)部的氣體環(huán)境壓力通常會高于航天器周圍環(huán)境壓力，這主要由以下幾種典型情況導(dǎo)致：生命保障系統(tǒng)的泄漏、材料的出氣、產(chǎn)品的換氣、產(chǎn)品泄漏以及反應(yīng)控制裝置的工作。當(dāng)航天器在軌運(yùn)行時(shí)，這些壓力差會在一周內(nèi)穩(wěn)定下來，之所以會持續(xù)如此長的時(shí)間是由于物體緩慢出氣的原因，熱的表面涂覆、實(shí)驗(yàn)以及航天器裝備都會緩慢出氣。在阿波羅空間實(shí)驗(yàn)室的熱真空實(shí)驗(yàn)中，檢測到測試對象的壓力是艙體內(nèi)部壓力的兩倍左右[2]。

圖1 巴申曲線圖示Fig.1 Graph of Paschen curve

在深空環(huán)境下，幾乎不會存在帶電粒子，帶電粒子的平均自由行程也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電極間距。“真空”是非常好的絕緣體。然而在大多數(shù)情況下，受到附近材料的出氣材料的氣化、內(nèi)部殘存空氣、航天器的氣體泄漏等因素影響，這種高真空是不存在的，這些因素會引起起暈電壓沿巴申圖中的高真空側(cè)向最小電壓點(diǎn)處變化。

因此，為確保足夠的安全裕度，高電壓系統(tǒng)和組件必須被設(shè)計(jì)為能夠在接近航天器氣體環(huán)境的條件下工作。

3 設(shè)計(jì)原則

在元器件選擇上要選用滿足耐電壓等級的元器件，還要了解廠家給出的耐壓條件是否符合低氣壓的環(huán)境要求，該問題容易被忽視。

高電壓電源處理器需要將高低壓的電路部分相互隔開，為了避免兩部分的相互干擾，通常可以在兩部分電路之間用金屬層來進(jìn)行隔離，所有的地線也需要隔離處理以防止電路中的靜電情況發(fā)生。

在設(shè)計(jì)印制板上的印制電路和布局元器件時(shí)，盡量減小相鄰電路或元器件之間的電壓差，留出高電壓差電路之間的可靠的電氣絕緣間隙。改間隙的具體值可查閱有關(guān)的規(guī)定。實(shí)際上，作為航天電子產(chǎn)品，重量和外形體積都有苛刻的要求，不會有太大的空間尺寸進(jìn)行元器件的布局。因此，考慮在電裝時(shí)采取適當(dāng)?shù)慕^緣措施是設(shè)計(jì)人員在方案階段必須要進(jìn)行考慮的。

由于空間環(huán)境存在的氣體擊穿放電問題，因此，對于空間環(huán)境的高電壓電子產(chǎn)品應(yīng)首先考慮采用固體絕緣方式。

產(chǎn)品內(nèi)部空間的空氣和內(nèi)部材料放出的氣體需要快速排出，為了盡快排出產(chǎn)品內(nèi)部的氣體分子，必須分析計(jì)算產(chǎn)品腔體的排氣通道，避免低氣壓下電暈等放電現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是在真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)時(shí)，真空設(shè)備快速抽氣而電子產(chǎn)品內(nèi)的氣體排出不暢造成的內(nèi)部低氣壓現(xiàn)象。經(jīng)驗(yàn)值要求每1 000 cc的容積開大于2 cm2的出氣孔[4]。這是航天電子產(chǎn)品的特殊使用環(huán)境所決定的。

在金屬體的邊緣盡可能多使用低出氣率硅橡膠類絕緣物質(zhì)，需要包覆的部位采用收縮性的材料以減少空腔的存在。

4 防護(hù)技術(shù)

從在低真空（氣壓）下的氣體放電的機(jī)理分析，可以針對性的采取措施進(jìn)行預(yù)防和改進(jìn)。提高氣體擊穿電壓不外乎兩種途徑：一方面是改善電場分布，使之盡量均勻；另一方面是利用其他的方法來削弱氣體中的電離過程。

均勻電場和稍不均勻電場間隙的平均擊穿場強(qiáng)，比極不均勻電場間隙的要高得多。稍不均勻的電場中，電場分布越均勻，平均擊穿場強(qiáng)也越高。因此，可以改進(jìn)電極形狀、增大電極曲率半徑，以改善電場分布，提高間隙的擊穿電壓，同時(shí)，電極表面盡量避免毛刺、棱角等以消除電場局部增強(qiáng)的現(xiàn)象[3]。實(shí)際上，調(diào)整電場，降低局部過高的場強(qiáng)，不只對于氣體間隙，而且對于其他各種絕緣結(jié)構(gòu)也是提高其介電強(qiáng)度的有效措施。

削弱氣體的電離過程最有效的方法是用高介電強(qiáng)度的材料代替空氣。從機(jī)理上消除氣體電離的條件。

1）改變焊點(diǎn)形狀，改善電場分布。IPC-A-610E等標(biāo)準(zhǔn)中，對印制板上的高壓焊點(diǎn)和導(dǎo)線焊接時(shí)的焊點(diǎn)的形狀給出了具體的要求[9]。要確保沒有尖銳邊緣或尖銳點(diǎn)進(jìn)入焊點(diǎn)的圓弧段：球形焊點(diǎn)呈完整的圓形，輪廓連續(xù)而光滑；無可見的尖銳邊緣、焊料凸點(diǎn)、錫尖、夾雜物（外來物）或?qū)Ь€股線；絕緣間隙盡可能接近焊點(diǎn)但不妨礙形成所要求的焊料球；接線柱的所有邊緣完全被連續(xù)平滑的焊料層覆蓋，形成焊料球；絕緣間隙（C）盡可能小，使絕緣皮接近焊點(diǎn)但不防礙形成所要求的焊料球。如圖2所示。

圖2 高壓焊點(diǎn)要求Fig.2 Demonstration solder of high voltage

2）避免污染。污染是絕緣體表面絕緣強(qiáng)度降低的主要因素。汗?jié)n、油污、灰塵的存在，會加劇表面爬電現(xiàn)象產(chǎn)生，降低絕緣物質(zhì)介電強(qiáng)度。被污染的電極的擊穿電壓比單純材料或合金材料電極的擊穿電壓要低，根據(jù)污染程度的不同，擊穿電壓可能會相差一個(gè)數(shù)量級[2]。在空間環(huán)境下，帶電放射性粒子、紫外輻射和污染顆粒會造成另一種污染，都會影響氣體的起暈電壓和擊穿電壓。電裝后保證電路板以及元器件、焊點(diǎn)的潔凈度，可以明顯提高絕緣強(qiáng)度，降低擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。

3）增加絕緣防護(hù)措施。絕大多數(shù)空間飛行器硬件設(shè)備的印制板組裝件，不管其電壓高低，都需要一定程度的絕緣。而對于高壓電路，印制板至少需要3層低粘稠度絕緣材料的敷形涂覆，既可以采用浸漬的方式也可以采用噴涂的方式。并且要保證3遍涂覆完成后不能存在未涂覆區(qū)，涂覆完成后需要進(jìn)行絕緣測。同時(shí)，在進(jìn)行敷形涂覆前，所有的單板、導(dǎo)體、線纜和電氣元件都必須按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行清潔處理。

另一種防護(hù)方式就是灌封。灌封防護(hù)技術(shù)由于有良好的絕緣、防震和隔離作用，可以將外界因素的不良影響降到最低，因而在高壓大功率元器件、組件的防護(hù)中起著重要的作用。目前國內(nèi)外常用的灌封方法主要有以下3種[5]：第一種，氣體密封方案，局部充氣實(shí)現(xiàn)密封；第二種，油浸密封方案，局部灌油實(shí)密封；第三種，固體密封方案，使用環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅凝膠或有機(jī)硅橡膠對所需密封的元器件、電路進(jìn)行灌封。由于空間失重的因素影響，氣體密封和固體灌封是目前常選的兩種絕緣措施。

由于真空環(huán)境的氣體泄露，對于長壽命的電子設(shè)備，為了避免形成低氣壓條件，當(dāng)電路工作電壓的峰值超過1 000 V，工作壓力在3.33×104 N/m2（250 torr）到0.133 N/m2（1×10-3torr）范圍時(shí)，需要對元器件和電路采用固體灌封[2]。高壓電路的灌封須保證所有電氣元件、線纜、印制板及地平面之間充滿勻質(zhì)的固體絕緣，在不損失灌封電氣絕緣完整性的情況下應(yīng)減小灌封體積。當(dāng)必須大體積灌封時(shí)，灌封必須長而窄，這樣會減小內(nèi)部出現(xiàn)大機(jī)械應(yīng)力的概率，而過大的機(jī)械應(yīng)力會導(dǎo)致元件間出現(xiàn)裂縫。固體灌封必須確保內(nèi)部沒有空腔才能保障絕緣的有效，靠近地平面的位置、高壓元件和高壓電路附近尤其要注意不能存在空腔。可采用真空浸漬、離心機(jī)加速等方法確保內(nèi)部不會出現(xiàn)空腔。灌封材料必須和所有其他材料粘合緊密。圖3和圖4分別是EASA某航天器產(chǎn)品的局部灌封圖片[7]。

圖3 國外某用灌封后的集成變壓器、整流和濾波器件模塊Fig.3 The integrating transformer，rectifier and filter module after encapsulated

圖4 “Optimum”型高壓電源結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The configuration of Optimum high voltage power supply

實(shí)驗(yàn)證明，除環(huán)氧材料外，硅橡膠材料（雙組份或單組份）均能適用于航天電子設(shè)備的灌封[8]。在某空間使用的高壓電子產(chǎn)品中使用單組份RTV進(jìn)行局部灌封，通過對膠液中的氣泡進(jìn)行控制，產(chǎn)品已通過了真空環(huán)境下的電性能實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)論

航天器用高電壓電子產(chǎn)品受空間使用環(huán)境的限制，在絕緣設(shè)計(jì)和絕緣防護(hù)方面必須充分考慮到低氣壓時(shí)的空氣絕緣強(qiáng)度急劇下降問題，在設(shè)計(jì)上采取較大的間隙設(shè)計(jì)，減小電場強(qiáng)度分布，合理的排氣通道。同時(shí)在絕緣防護(hù)工藝上采取絕緣涂覆或者灌封（或局部灌封）工藝，將氣體絕緣轉(zhuǎn)換為固體絕緣，可以有效提高產(chǎn)品的絕緣能力。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該防護(hù)措施非常有效，保證了產(chǎn)品在真空環(huán)境下可靠工作。

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