基于沖擊電流發(fā)生器的強電磁環(huán)境模擬試驗方法

康婉玉，劉 星，高崗耀

(1.西安工業(yè)大學電子信息工程學院，陜西 西安 710021； 2.陜西華星電子集團有限公司，陜西 西安 712099)

0 引言

電磁炮作為一種以電磁發(fā)射技術為核心的先進武器系統，所適配的彈藥正在從傳統動能彈丸向智能彈藥方向發(fā)展。在電磁炮膛內強電磁環(huán)境下的適配性問題是智能彈藥能否應用于電磁炮的關鍵問題之一，研究強電磁環(huán)境對引信內微電子器件和集成電路的影響、干擾和損傷機理至關重要。

電子器件可靠性研究工作由理論分析和試驗驗證兩部分組成。驗證部分主要采用“加速壽命試驗”，該試驗分為兩步：第一步是模擬特定的工作環(huán)境并將其作用于被試品的環(huán)境模擬試驗；第二步是對被試品進行檢驗和可靠性評價的可靠性檢測試驗。環(huán)境模擬試驗是加速壽命試驗的關鍵之一，為后續(xù)檢驗分析的可靠性提供保證。針對微電子器件強電磁環(huán)境可靠性分析的研究中，文獻[1]采用理論分析結合仿真進行驗證，文獻[2—3]通過對元器件的注入試驗進行驗證，文獻[4]采用靜電放電模擬器設計電磁環(huán)境試驗進行驗證。上述文獻大多通過仿真或注入試驗來代替加速壽命試驗中的環(huán)境模擬試驗，極少數采用電磁環(huán)境模擬器設計模擬試驗，但也主要針對靜電放電等穩(wěn)態(tài)問題[5]。

強電磁環(huán)境模擬試驗通過電磁發(fā)生器產生強電磁場再輔以不同的電磁場形成裝置，近似模擬被試品實際工作環(huán)境。典型的電磁環(huán)境模擬器有界波電磁脈沖模擬器、偶極子模擬器、靜態(tài)模擬器和混合型模擬器等。該方法具備試驗條件可調節(jié)、測試簡便、可重復進行、試驗周期短和試驗效率高等優(yōu)勢。因此，模擬試驗在研究強電磁環(huán)境及其工程防護技術、集成電路可靠和電磁兼容相關措施的檢驗與評定方面發(fā)揮著重要作用。但目前為止缺乏針對電磁炮膛內強電磁沖擊環(huán)境的相關模擬試驗方法。因此，本文提出一種基于沖擊電流發(fā)生器的電磁炮膛內強電磁環(huán)境模擬方法，為集成電路的失效機理研究提供試驗支撐。

1 強電磁環(huán)境模擬試驗原理

1.1 沖擊電流發(fā)生器工作原理

沖擊電流發(fā)生器主要由脈沖源和動作負載沖擊倉組成，其中脈沖源是沖擊電流發(fā)生器的核心部件。電容放電式脈沖源即為沖擊電流發(fā)生器的脈沖源[6]，其原理和等效電路如圖1、圖2所示。

圖1 電容放電式脈沖源原理Fig.1 Principle of capacitor discharge pulse source

圖2 電容放電式脈沖源等效電路Fig.2 Capacitor discharge pulse source equivalent circuit

電容放電式脈沖源可以看作是一個由電阻、電感、電容組成的串聯放電回路。在充電回路中，直流高壓源給多個或多組電容器并聯充電，充電方式為整流電壓或恒流方式。在放電回路中，通過間隙放電實現實負載上流過沖擊電流。

沖擊電流發(fā)生器的二階微分方程為

(1)

根據電路阻尼的不同，存在三種不同的工作狀態(tài)，分別為欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態(tài)。

設電容C上的電壓降為uc(t)，初始條件和臨界比[7]表達式為

i(0)=0，

(2)

(3)

uc(0)=U0，

(4)

(5)

當電路在α>1過阻尼情況下，電流表達式為式(6)，該電流是非周期性脈沖電流，電流峰值時刻表達式為式(7)，達到電流峰值的時間為式(8)。

(6)

(7)

(8)

雖然沖擊電流發(fā)生器可以產生周期性和非周期性的脈沖電流，但它通常工作在過阻尼情況下，產生非周期性的脈沖電流[8]。通過對電路相關參數的調制，可以根據實際需要產生不同波形的沖擊電流。

1.2 電磁環(huán)境分析

根據沖擊電流發(fā)生器工作原理[9]，放電過程會在負載周圍產生時變強電磁場，該環(huán)境可以近似模擬雷電放電過程中的電磁脈沖、電磁脈沖彈及電磁炮膛內強磁場等強電磁脈沖環(huán)境。

(9)

該脈沖電流激發(fā)的強電磁場是時變電磁場，在研究中直接求解時變電磁場問題往往是困難的，為簡化這一過程，引入電矢勢A的概念。

在時變電磁場中，麥克斯韋方程組的法拉第電磁感應定律是由兩部分組成：

(10)

也就是說，在時變電磁場中存在兩種不同的電場具有完全不同的性質，因而不能像靜電場那樣簡單地引出標勢，但是將B=?×A代入式(10)，得到

(11)

根據式(11)和場論定理二，可以引出標勢φ，

(12)

忽略全電流定律中的位移電流?D/?t，僅僅考慮傳導電流J。J由感應電流密度Ji和沖擊電流密度Jp組成。流經沖擊電流發(fā)生器負載的沖擊電流在負載周圍產生感應電磁場，感應電流密度表達式為

Ji=σEi。

(13)

將式(11)代入式(13)，

(14)

當空間中不含導磁介質時，B與H之間滿足線性關系式B=μrμ0H，代入式(14)，

(15)

通過式(15)磁矢勢A，描述負載沖擊機內的磁場環(huán)境。該環(huán)境與理論分析的電磁炮膛內磁場環(huán)境具有較強的一致性[10]，理論上可以實現模擬。

2 沖擊電流發(fā)生器模擬試驗方法

2.1 試驗參數調制

強電磁環(huán)境模擬試驗的關鍵是最大程度地模擬實際電磁環(huán)境，這要求既要模擬電磁場的時域和頻域變化，又要模擬電磁場的空間分布。通過對脈沖電流波形和負載形態(tài)的調制，可以實現對實際強電磁環(huán)境的模擬。

參數調制的第一步是選擇合適的負載，負載的形狀、材料和安裝方式等參數直接決定沖擊電流發(fā)生器內磁場的空間分布。選擇負載要依據對實際電磁環(huán)境的理論分析，針對不同試驗目的和重點試驗區(qū)域，簡化原系統的復雜結構，選擇恰當器件，搭建試驗環(huán)境。

確定適當負載后，對脈沖電流的波形進行調制，脈沖電流的時域和頻域變化特性決定了電磁場時域和頻域變化。模擬實際強電磁沖擊環(huán)境的關鍵之一就是模擬準確的脈沖峰值和峰值時間。根據脈沖電流發(fā)生器的工作原理，脈沖電流峰值取決于電容器儲能、回路電感、放電回路電阻和電容器充電電壓。電容器儲能和電流峰值之間成正比，理論上來說提高電容器儲能可以實現提高沖擊電流峰值；但是通過調整電容器儲能來調制脈沖峰值的方法具有一定的局限性，當使用同一臺沖擊電流發(fā)生器模擬不同脈沖峰值的脈沖電流時，更換不同儲能的電容器是不現實的。放電回路電阻和電流峰值之間成反比，減小負載電阻可以提高脈沖電流峰值。當脈沖電流發(fā)生器采用的脈沖峰值較高，而實際脈沖電磁場脈沖峰值較低時，調節(jié)負載電阻的方法具有一定的可行性；但是負載的形態(tài)和材料等參數會直接影響電磁場空間分布，調整電阻需要考慮多方面因素，可操作性較低。同理，回路電感對電流峰值有一定影響，但通過調節(jié)電感實現對峰值的調制不具備可行性[11]。電流峰值和充電電壓之間成正比，電容器充電電壓主要是由充電回路中的電源決定的，該回路和放電電路相對獨立，在試驗中可操作性較強。當脈沖電流發(fā)生器的負載和其他參數確定后，充電電壓和電流峰值可形成固定比例關系。

峰值時間由回路電阻、電感和電容決定。當電容器放電時，負載R兩端的電壓為

(16)

(17)

式(17)中，τ1=L/R;τ2=RC。

此時，負載r上的電壓降uR(t)是雙指數脈沖。根據雙指數脈沖上升時間tr、衰落時間tf的定義，其與放電回路元件的參數有以下近似關系：

(18)

tf≈2.2τ2=2.2RC。

(19)

2.2 試驗方案設計

沖擊電流發(fā)生器和電磁炮都是通過產生脈沖電流來實現其功能，在模擬過程中可以通過參數調制得到近似的脈沖峰值和峰值時間。但是電磁炮發(fā)射過程中脈寬可以達到10 ms，沖擊電流發(fā)生器產生的脈沖電流脈寬僅僅為微秒級。為解決該問題，采用多次重復試驗的方法對被試品進行沖擊。

基于沖擊電流發(fā)生器的電磁炮膛內強電磁沖擊環(huán)境模擬試驗方案如下：

1) 理論分析被試引信工作區(qū)域、工作狀態(tài)及強電磁環(huán)境；

2) 選擇軌道炮負載或線圈炮負載，安裝至負載沖擊機內；

3) 確定脈沖電流i(t)、充電電壓U0和沖擊次數；

4) 構建電磁炮負載和被試引信三維模型，進行有限元仿真分析負載沖擊機內電磁環(huán)境，判斷試驗可行性；

5) 按照理論分析結果，確定被試引信安裝位置和角度，將被試引信固定在模擬工作區(qū)域；

6) 調制脈沖測控系統，進行強電磁環(huán)境模擬試驗。

3 仿真及試驗驗證

3.1 沖擊電流發(fā)生器內電磁環(huán)境仿真

建立沖擊電流發(fā)生器負載端模型，加載強電流沖擊，在有限元仿真軟件COMSOL的AC/DC模塊中，選擇三維模型磁場接口進行瞬態(tài)仿真研究。將負載端內電磁環(huán)境與電磁炮膛內環(huán)境對比，針對提出的強電磁脈沖模擬試驗方進行驗證。

沖擊電流發(fā)生器產生的脈沖電流為雙指數脈沖電流，如圖3(a)所示。根據電磁炮發(fā)射原理，仿真采用t=8 ns時電流峰值為1 MA的脈沖電流激發(fā)磁場，如圖3(b)所示。

圖3 脈沖電流Fig.3 Pulse current

一般軌道炮發(fā)射膛主要由兩根矩形軌道、電樞和彈丸組成，電樞與軌道滑動接觸，發(fā)射過程中受洛倫茲力推動彈丸加速。選擇導線作為沖擊電流發(fā)生器負載模擬軌道炮膛內電磁環(huán)境，建立導線模型如圖4所示。

圖4 軌道炮模擬模型Fig.4 Railgun simulation model

平行長導線模擬軌道，短導線模擬電樞，一般情況下，導線形態(tài)需要避免出現直角，但在本文中平行長導線與短導線連接點成直角，可以最大程度模擬電磁軌道炮電樞與軌道之間的接觸。

電磁軌道炮和導線產生的強電磁場都是無限延伸的，但是考慮在實際情況下無限遠處的電磁場對被試品的影響可忽略不計，故建立適當求解域，提高仿真效率。

在電磁軌道炮膛內集成電路和電子元器件等磁敏感元件通常位于電樞前端，需要重點考察電樞前端強電磁環(huán)境[12]。對應于本模型，設置如圖5所示的A—I共9個觀測點。觀測點模擬電樞前端的集成電路，故將其設置為導電材料。在模型右端加載峰值為1 MA的脈沖電流，并設置邊界條件，最后進行網格劃分，如圖6所示，并對建立好的模型展開瞬態(tài)研究。

圖5 觀測點分布Fig.5 Distribution of observation points

圖6 網格劃分Fig.6 Meshing

圖7為沖擊電流發(fā)生器模擬軌道炮膛內強電磁環(huán)境的磁通密度空間多切面分布。脈沖電流到達峰值時，其激發(fā)的強磁場主要集中在短導線附近，這是由短導線和平行長導線共同感應產生的。平行長導線上的磁通密度較低，且沿X軸正方向迅速減小，表現出明顯的空間衰減，這一特點在圖8(a)所示的模型XY方向俯視圖中得到明顯體現。

圖7 磁通密度空間分布Fig.7 Spatial distribution of magnetic flux density

圖8 切面磁通密度分布Fig.8 Sectional magnetic flux density distribution

圖8(b)中，在短導線的Z軸方向磁場分布較為對稱，但在X軸正方向的磁場強度比X軸負方向的弱。根據電磁炮膛內磁場理論分析及相關文獻研究，電樞后端的磁場強度強于電樞前端的磁場強度，電樞上側和下側的磁場強度基本一致，仿真結果與實際基本一致。

模擬磁場環(huán)境在脈沖電流峰值時刻的磁場方向如圖9所示。

圖9 磁場分布Fig.9 Magnetic field distribution

脈沖電流峰值時刻，觀測點A、B、C、D、E處的磁通密度時域變化曲線如圖10所示，磁通密度隨參考點到短導線距離的增加逐步遞減。變化趨勢與脈沖電流基本保持一致，峰值時刻稍微滯后于脈沖電流峰值，這是因為當電磁場在導電介質中傳播時，磁場強度相位滯后于電場強度相位，相位差與電導率和激勵電流頻率有關。

圖10 A—E磁通時域變化Fig.10 Time domain change of A—E magnetic flux

由于雙指數脈沖激勵電流頻率處于5 kHz以下屬于低頻，因此磁通密度峰值時刻的滯后現象并不明顯。觀測點F、G、C、H、I處的磁通密度分布如圖11所示，靠近平行導線的參考點磁通密度顯著高于其他參考點，而在平行導線內部的參考點磁通密度無明顯差距。

圖11 F—I磁通時域變化Fig.11 Time domain change of F—I magnetic flux

對所有觀測點脈沖磁場進行快速傅里葉變換得到幅頻曲線圖12所示，模擬磁場的頻率集中在5 kHz以下的低頻段。

圖12 觀測點幅頻曲線Fig.12 Observtion point mplitude-frequency curve

通過上述沖擊電流發(fā)生器模擬軌道炮膛內磁場仿真分析，該磁場的空間分布、磁通密度方向和關鍵參考點磁通密度時域變化均符合軌道炮膛內磁場，具備進行強電磁環(huán)境模擬試驗的能力。

3.2 電磁沖擊環(huán)境模擬試驗

在仿真分析的基礎上設計對如圖13(a)所示集成電路JQV300進行軌道炮膛內強電磁環(huán)境沖擊模擬試驗，采用沖擊電流發(fā)生器型號為BS2010B組合波測系控統，如圖13(b)所示。

圖13 被試JQV300FPGA芯片和沖擊電流發(fā)電器Fig.13 The tested JQV300FPGA chip and impulse current generator

對JQV300型FPGA進行軌道炮膛內強電磁沖擊模擬試驗，實際搭建試驗環(huán)境如圖14(a)所示。

圖14 試驗過程及結果Fig. 14 Experimental procedure and result

圖14(b)為沖擊試驗結束后集成電路JQV300試驗結果。對本次試驗的芯片JQV300進行外觀檢查，試驗結束時芯片表面溫度對比試驗前明顯升高，芯片表面顏色出現明顯變化。對芯片進行電學測試，結果表明芯片無法正常工作，出現失效情況，試驗結果基本符合軌道炮發(fā)射過程中集成電路失效模式。

4 結論

本文提出基于沖擊電流發(fā)生器的電磁炮膛內強電磁環(huán)境模擬試驗方法，采用現有設備，具有搭建容易、試驗安全、操作簡便等特點，通過配置專用負載可方便模擬電磁軌道炮膛內強電磁環(huán)境。仿真及試驗結果表明，沖擊電流發(fā)生器負載端強電磁環(huán)境與電磁炮膛內理論強電磁環(huán)境的磁場強度、變化規(guī)律和空間分布具有較高一致性，滿足電磁環(huán)境模擬試驗要求，可以作為電磁炮膛內引信適配性研究的試驗依據。