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文/孙成明 许展川 刘 笠 华测检测(汽车电子EMC实验室)[b]1 概述[/b]GB/T 17626.2-2006 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验IDT IEC 61000-4-2:2001经两次修订为GB/T17626.2-2018 IDT IEC 61000-4-2:2012,欧盟也相应改版为EN61000-4-2:2009;主要修改内容是,试验脉冲参数和试验方法等;旨在减小试验不确定性。静电放电(简称ESD)试验的不确定性与试验设备、试验方法及环境条件等诸多因素有关。其中,ESD模拟器(试验脉冲发生器)输出脉冲波形参数的不确定性直接影响试验结果的判定。因此,IEC61000-4-2:2008/2012 对ESD模拟器输出波形参数和试验校验方法提出了新要求。某些在用ESD模拟器可能已不符合新标准要求。本文旨在简要分析ESD模拟器输出波形对试验不确定性的影响,引导ESD试验工程师校验、选择合格和正确使用ESD模拟器。[b]2 ESD模拟器基本原理和输出波形参数要求[/b]2.1 ESD模拟器基本原理IEC 61000-4-2:2008/2012规定的ESD模拟器基本工作原理如图1所示。[img=,498,219]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/07/201907012235054029_5777_3051334_3.jpg!w498x219.jpg[/img]注:图中,Cs为分布参数,对ESD输出放电电流峰值和I30,I60有一定影响;是IEC 61000-4-2:2008/2012新增加的参数。2.2 ESD模拟器输出波形和参数要求IEC 61000-4-2:2008规定ESD模拟器输出脉冲波形要求见图2;它与IEC61000-4-2:2001/1995规定的波形参数要求有差别,见表1所示。[img=,593,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/07/201907012235466782_8146_3051334_3.jpg!w593x286.jpg[/img]表1试验脉冲波形参数要求[table][tr][td][color=windowtext]项目[/color][/td][td][color=windowtext]参数[/color][/td][td][color=windowtext]单位[/color][/td][td][color=windowtext]IEC 61000-4-2[/color][color=windowtext]:[/color][color=windowtext]1995/2001[/color][/td][td][color=windowtext]IEC61000-4-2[/color][color=windowtext]:[/color][color=windowtext]2008/2012[/color][/td][/tr][tr][td][color=windowtext]脉冲上升时间[/color][/td][td][color=windowtext]tr[/color][/td][td][color=windowtext]ns[/color][/td][td][color=windowtext]0.7-1.0 [/color][/td][td][b][color=red]0.6-1.0[/color][/b][/td][/tr][tr][td][color=windowtext]第一峰值电流[/color][/td][td][color=windowtext]Ip[/color][/td][td][color=windowtext]A[/color][/td][td][color=windowtext]±10%[/color][/td][td][b][color=red]±15%[/color][/b][/td][/tr][tr][td][color=windowtext]放电电流[/color][color=windowtext]/30ns[/color][/td][td][color=windowtext]I30[/color][/td][td][color=windowtext]A[/color][/td][td][color=windowtext]±30%[/color][/td][td][color=windowtext]±30%[/color][/td][/tr][tr][td][color=windowtext]放电电流[/color][color=windowtext]/60ns[/color][/td][td][color=windowtext]I60[/color][/td][td][color=windowtext]A[/color][/td][td][color=windowtext]±30%[/color][/td][td][color=windowtext]±30%[/color][/td][/tr][/table][b]3 试验不确定性简要分析[/b]3.1试验脉冲参数校准3.1.1 IEC 61000-4-2:2001校准方法要求和测试结果IEC 61000-4-2:2001规定的校准方法是,输出串接50Ω匹配电阻,测试ESD模拟器脉冲输出电压减半。现市场上经过认证检测合格的ESD模拟器测试,即使符合IEC61000-4-2:2001规定要求,未必符合IEC 61000-4-2:2008/2012要求(参见下图3b),由于校准结果与实际试验负载不同,试验存在较大的不确定性。3.1.2 IEC 61000-4-2:2008/2012校准方法要求和测试结果分析IEC 61000-4-2:2008/2012规定的校准方法是,输出不串50Ω匹配电阻,测试ESD模拟器输出开路电压(不再减半)。例如:按IEC 61000-4-2:2008/2012校准方法要求,重新测试所选ESD模拟器的输出脉冲上升时间(tr)和第一峰值电流(Ip),放电电流(I30,I60),仅有一种产品接近标准规定下限值,见图3a);其余3种产品,均未达到新标准规定的波形参数要求,如图3b)所示。[img=,690,307]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/07/201907012235577564_3512_3051334_3.jpg!w690x307.jpg[/img]上述测试结果说明:1)按IEC 61000-4-2:2001校准方法校准合格的ESD模拟器,重新按IEC 61000-4-2:2008/2012校准方法校准,国内外大多数ESD模拟器已不符合IEC61000-4-2:2008/2012标准规定要求。主要差异是,测试ESD模拟器放电电流波形,第一峰值电流(Ip)和放电电流(I30,I60)均未达到标准规定要求。2)若用于产品ESD测试,存在或增加试验的不确定性;可能导致对受试设备的过度测试或测试不足。3.2 试验校验方法IEC 61000-4-2:2001规定,测量5次,取5次脉冲平均值。ESD模拟器输出脉冲校验结果离散性较大,试验存在不确定性。IEC 61000-4-2:2008/2012对ESD模拟器输出脉冲波形校验的可重现性提出了更高要求。规定在一个时间里或个别评估时,每个测量等级要记录5个脉冲;每一个脉冲每单次测量(tr, Ip, I30, I60)都必须符合规定要求;以期减小ESD模拟器特性和操作带来的不确定性。满足IEC 61000-4-2:2008/2012要求的新型ESD模拟器的输出脉冲上升时间(tr)减小,在(0.6-0.9)ns之间;第一峰值电流(Ip)增大,达到规定值范围;同时,放电电流(I30,I60)也很快降到规定值范围内。校准/校验波形的一致性明显增强。如图4所示。[img=,488,305]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/07/201907012236367635_4434_3051334_3.jpg!w488x305.jpg[/img]3.3减小分布参数影响从ESD模拟器基本工作原理(见图1)可看出,放电脉冲时间常数主要由Rd和(Cs+Cd)决定,其中Cs为分布参数,它与放电电路PCB、放电枪结构、接地平板及试验环境条件等有关。对这些分布参数,除放电回路(PCB)和放电枪结构可以设计控制外,其它环境分布参数有一定的试验随机性。所以,ESD试验必须严格按试验环境条件规定,由经过实际操作培训合格的试验工程师或技师操作,以减少试验环境的不确定性对试验结果的影响。3.4汽车电子零部件ESD试验汽车电子ESD试验GB/T19951-2005已改版为GB/T19951-201X(待发布),MOD ISO 10605:2008。主要修改内容包括有:试验环境温度,环境湿度,接地线长度,绝缘块厚度(25±2.5mm改为50±5mm),不接地设备试验方法,水平和垂直耦合板,测试桌上安全地线;试验脉冲放电参数,放电电极等。实验室应按新版本修改ESD试验SOP,需结合产品实际进行试验验证。[b]4结束语[/b]本文简要介绍了IEC 61000-4-2:2008/2012与IEC61000-4-2: 1995/2001对ESD模拟器特性和试验校准校验要求,并简要分析了ESD模拟器试验不确定性和按IEC 61000-4-2:2008/2012版要求进行校验和试验的要点,也同样适用于GB/T19951-2005/201X。对于减少ESD试验的不确定性有一定的指导参考意义。
太阳模拟器作为光源,在某种意义上说,可以等同于太阳光源,可以模拟太阳光照射。太阳模拟器广泛应用于太阳能电池特性测试,光电材料特性测试,生物化学相关测试,光学催化降解加速研究,皮肤化妆用品检测,环境研究等。 随着太阳能光伏产业的蓬勃发展,太阳能模拟器的光谱匹配性能测试也越趋重要。针对大多数采用脉冲氙灯作为光源的设备,最理想的测试状态是采集一个脉冲周期内不同时间点的绝对辐射光谱,进而判断该太阳能模拟器的光谱等级。目前采用微小型的光纤光谱技术是实现太阳能模拟器光谱测量最简单可靠的方法。设备和方法 1、稳态光谱采集 根据IEC60694-9标准要求,太阳模拟器有效光谱范围是400-1100nm,这就需要光谱测试设备可同时采集到400-1100nm范围的绝对光谱数据,并且在整个波段范围内都具有较高的信噪比,以保证测试数据的可靠性。荷兰Avantes公司的AvaSolar光纤光谱仪,采用高信噪比的薄型背照式CCD探测器,其在200-1100nm均具有良好的光谱响应,以确保得到高质量的光谱数据。同时该套系统出厂时就进行了NIST可溯源的绝对辐射标定,可直接得到稳态的模拟器的辐照度光谱信息。 2、 瞬态光谱采集 基于AvaSolar光谱仪特有的快速采集功能,也可应用在瞬态模拟器的光谱检测中。AvaSolar最多可实现每秒钟450幅光谱的采集,不管模拟器的工作模式是单次脉冲、多次频闪,无论脉冲弛豫时间是小到2ms,还是较长的6s,AvaSolar系统均可得到真实可靠的辐照度数据。 3、光谱匹配度太阳模拟器的光谱匹配度是指在6个指定光谱范围内强度积分的百分比。任何与标准光谱的偏离百分比都必须在一定的范围内,这也正是衡量太阳模拟器等级的一项标准。对于A类太阳模拟器,光谱匹配度必须在75% - 125%之间。Ideal Spectral Match Defined by IEC StandardsSpectral MatchSpectral Range (nm) Ideal %400 - 500 18.4500 - 600 19.9600 - 700 18.4700 - 800 14.9800 - 900 12.5900 - 1100 15.9 利用AvaSoft-Solar软件特有的能量积分功能,可得到不同光谱范围内的辐照度总和(单位:µW/cm2),从而帮助判断该太阳能模拟器的光谱等级。如下图所示,同时对上述6个指定光谱范围的辐照强度进行能量积分计算。 4、 模拟器等级判断 AvaSoft-Solar软件可按照IEC60694-9标准上所述要求,根据测试得到的模拟器辐照度光谱数据直接给出模拟器的等级,可给出不同波段范围内的匹配度,以帮助用户更好的判断模拟器的性能。 5、 扩展功能 ⑴紫外老化仪光谱测量 对于设有可靠性试验室的用户来说,紫外老化也是检测光伏产品性能必不可少的环节,这也就需要针对紫外老化仪的光谱及辐照度进行有效的检测。由于AvaSolar主机可覆盖200-1100nm的光谱范围,因此AvaSolar该套系统可以直接用来进行紫外老化仪的光谱检测。 ⑵光伏组件玻璃板透过率测量 AvaSolar光谱仪不但可进行绝对辐照光谱的检测,同时可对光伏组件厂所用的大面积玻璃进行透过率的测量。仅需要在原有AvaSolar系统的基础上额外配置照射光源、积分球及光纤即可。对于工业用大尺寸的玻璃的透过率的检测,需要用户根据不同的现场测试要求自行设计积分
光伏行业发展初期,晶体硅电池和组件达到批量化生产时,BAA级的模拟器被行业普遍使用,但随着行业的发展和科学技术的进步,尤其是现在各种不同技术类型和不同规格的光伏电池/组件的产品的涌现,其B级光谱的限制性和对多标准板的要求以及测试误差的过大,对AAA级的模拟器成为行业的必然需求,即 A(光谱等级)A(辐照不均匀度等级)A(辐照不稳定性等级,通常指LTI)。 1.光谱对测试结果的影响 不同基材的电池光谱响应差别很大。实际上,即使基材相同的电池在生产过程中由于晶体生长或其它条件和工艺等的差异,也会导致光谱响应的差异,由于无法保证校准设备时使用的标准电池和其它被测电池的绝对一致性,因此如果要得到更为准确的结果,就需要高等级光谱的太阳模拟器。 2.光强均匀性对测试结果的影响 晶体硅太阳电池组件中单体电池之间焊接不良及同串单体电池IV特性不匹配等因素会导致输出功率降低。在工业上,为了防止由以上原因造成的热斑效应和功率消耗,在组件制造时一般都会在每十几片串联的电池片两端并上旁路二极管。这样做虽可降低组件的热斑效应,但同时也可能会使组件的IV特性曲线出现畸变。造成热斑效应的原因有很多,其中两个主要的原因是:一是电池组件本身工艺或品质造成的单体电池IV特性不匹配,二是遮盖等外界原因造成的组件受光不均匀。 因此,一个光强均匀性良好的太阳模拟器,可以通过测试从一定程度上反映出太阳电池组件的单体电池IV特性不匹配的问题。 模拟器的光均匀性还会影响测试结果的FF,如果模拟器的光均匀度不好,一般情况下,测试IV曲线的FF就会比实际值偏小。 3.辐照不稳定度对测试结果的影响 辐照稳定度对测试结果的影响是很容易理解的,模拟器辐照不稳定,就必然会造成测试结果不稳定,辐照稳定度保证了所测试的I-V特性是在同一条件下量测的,为数据的可参考性提供了前提。