高压放大器在聚醚酰亚胺薄膜电滞回线和击穿场强测试中的应用
实验名称：聚醚酰亚胺薄膜电滞回线和击穿场强测试
研究方向：为了应对全球能源短缺、气候变化及大气污染等问题，太阳能、风能和热能等新能源发电技术应运而生。但由于新能源发电具有间歇性、不稳定性等问题，难以直接接入大电网，因而亟需大型的电能转换和电能存储装置。另外，脉冲功率技术、电磁弹射技术、高压柔性直流输电技术、电动汽车技术等在发展中均对高功率密度电能存储装置提出了急迫需求。
聚合物基介电电容器作为一种高功率密度的储能器件，在新能源、脉冲功率、电力电子和高压直流输电等行业都具有广泛的应用。目前商用的聚合物电容器薄膜由于其介电常数较��，储能密度偏低，往往使得其在设备中占据较大的体积。另一方面，随着电气绝缘技术向着高温方向发展，对于介电薄膜电容器的工作温度要求也越来越高。因此研究可应用于高温环境的高储能密度薄膜电介质对实现脉冲功率及电力电子设备用储能电容器的小型化、轻量化和集成化有着重要的科学研究意义和实际应用价值。电容器通常由电介质材料和两个导体电极组成，呈平行板形式，如图1.4所示。电能存储是电容器的基础功能，电容器的能量存储能力（即电容）仅由导体的物理尺寸（几何形状）和电介质的介电常数决定，与导体之间的电位差和导体上的总电荷无关。为了弥补聚合物电介质介电常数不够高的缺点，近几十年来不同种类的纳米填料被引入聚合物中制备聚合物基纳米复合材料，因此，研究可应用于高温环境的高储能密度薄膜电介质对实现脉冲功率及电力电子设备用储能电容器的小型化、轻量化和集成化有着重要的科学研究意义和实际应用价值。
实验目的：电滞回线测试和不同纳米填料的PEI基复合储能电介质的击穿场强击穿场强测试为后续实验做论证和铺垫。
测试设备：ATA-7100高压放大器、信号发生器、示波器
实验过程：首先由函数发生器激发频率为10Hz的单极性三角波信号，信号经由ATA-7100高压放大器放大施加在样品两端，可通过放大器增益旋钮控制输出电压，同时利用示波器观察输出电压大小。该放大器不仅可以输出交流信号，也可输出直流信号,最大输出交流信号20kVpp，最大输出直流电压10kV，也可以用于击穿场强测试。其测试原理图如图1-1
图1-1：击穿场强测试、电滞回线测试实验框图
实验结果：不同纳米填料的PEI基纳米复合电介质的直流击穿场强测试分析结果如图1-2所示，不同纳米填料的PEI基纳米复合电介质的Eb和β值。随着纳米填料含量的增加，不同纳米填料的PEI基纳米复合电介质的Eb均呈现先增大后减小的规律。当填料含量为3vol%时，PEI/SiO2和PEI/ZrO2纳米复合电介质的Eb达到最大值，分别为595MV/m和610MV/m。PEI/TiO2纳米复合电介质的Eb在填料含量为1vol%时达到最大值，为524MV/m。此外，与纯PEI的β值（8.24）相比，不同纳米填料的PEI基纳米复合电介质的β值也有所增加，当填料含量为3vol%时，PEI/SiO2、PEI/ZrO2和PEI/TiO2纳米复合电介质的β值分别为8.98，12.66和8.57。值得注意的是，不同填料含量的PEI/ZrO2纳米复合电介质的β值均在10以上，高β值反映了其高的击穿稳定性。
图1-2：不同填料含量的PEI基复合电介质击穿场强的双参数威布尔分布图
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图：ATA-7100高压放大器指标参数
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