浙江大学王启隆、陈向荣 等：直流和方波电压下有机半导电小分子/硅弹性体纳米复合材料的高温空间电荷特性

阅读提示：本文约 2600 字

浙江大学电气工程学院高电压实验室团队通过纳米笼型倍半硅氧烷（POSS）接枝和有机半导电小分子（NTCDA）掺杂制备了硅弹性体（SE）/NTCDA纳米复合材料试样，研究了纯硅弹性体及其纳米复合材料在不同电压类型（直流和方波）、频率（50、250、500 Hz）、温度（室温和150 °C）和电场强度（10和20 kV/mm）下的空间电荷特性，探究了高温和高频电场下材料的电荷输运机制。

研究背景

高温高压大功率电力电子模块通过提升其工作温度、耐受电压和运行频率来实现更高的功率密度，逐年扩大在新能源交通等领域的应用规模。硅基器件封装用有机硅凝胶最高温度通常低于125 °C，在更高温下其绝缘性能急剧劣化，难以适用于向更高温度发展的碳化硅模块。硅弹性体兼具热稳定性和柔软性，是150 °C以上高温封装绝缘的首选。

论文所解决的问题及意义

电力电子模块三结合点附近的电场较为集中，在高温高电场下极易注入空间电荷，不仅会在封装绝缘内部产生严重的电场畸变，也会在注入、抽出等过程中造成绝缘分子链裂解。此外，电力电子模块的工况较为复杂，通常运行在直流或高频方波电压下。因此，有必要研究直流和高频方波电压下硅弹性体的高温空间电荷特性，并通过复合改性抑制硅弹性体在高温高电场下的空间电荷积聚。

论文方法及创新点

论文方法：本文通过纳米POSS接枝和有机半导电小分子NTCDA掺杂制备了SE/NTCDA纳米复合材料（SE-P-N），基于脉冲电-声法在直流和不同频率方波电压下测试了试样的常温和150 °C高温空间电荷分布，分析了相应的电场分布和平均电荷密度，研究了电压类型、频率、场强和温度对空间电荷特性的影响，结合量子化学计算阐明了高温和高频电场下材料的电荷输运机制。

直流电压下纯SE和SE-P-N试样在不同电场强度和温度下的空间电荷时空分布规律分别如图1（a）和图1（b）所示。当场强为20 kV/mm且温度为150 °C时，纯SE体内和阳极附近也产生了严重的负极性空间电荷积聚。对于SE-P-N试样，负极性电荷在高温或高电场下的注入和积聚均得到明显的抑制。

图1 直流电压下纯SE和SE-P-N在不同温度和场强下的空间电荷时空分布规律

在20 kV/mm和150 °C下，方波电压下SE-P-N在不同频率下的空间电荷时空分布如图2所示，纯SE体内和电极附近均存在严重的负极性空间电荷积聚，并随着频率的增加，体内电荷积聚量明显降低。SE-P-N在方波关断状态下的阴极/聚合物界面附近存在小范围的负极性电荷积聚，并且积聚范围随频率增加而减小，表明负极性电荷在高温和高电场下的注入、迁移和积聚均受到抑制。

图2 不同频率方波电压下纯SE和SE-P-N在150 °C和20 kV/mm下的空间电荷时空分布规律

创新点：揭示了150 °C高温下纯SE及其复合材料在直流和高频方波电压下的空间电荷分布规律，分析了电压类型、频率、温度和场强对空间电荷特性的影响，通过纳米POSS接枝和有机半导电小分子NTCDA掺杂阻碍了高温和高电场下空间电荷的注入和迁移。

结论

负极性电荷的注入深度和积聚量随着温度或外施场强增大而增加，但随着方波频率升高而减小。无论是直流还是方波电场，相比于纯SE，SE-P-N在高温高电场下的平均电荷密度和负极性电荷注入深度分别减小一半和一个数量级。POSS和NTCDA共同阻碍了电子在高温高电场下的注入、迁移和积聚。

团队介绍

陈向荣

浙江大学电气工程学院教授，博士生导师，2020-2021年任浙江大学-UIUC联合学院副院长，现任浙江大学电气工程学院电力系统自动化所所长，IEEE 高级会员，高压绝缘领域国际权威期刊《IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation》副主编，《高电压技术》第九届编委会青年委员，国家机械教育协会第四届高电压与绝缘技术学科教学委员会副主任委员，浙江省电力学会高电压专业委员会副主任委员，浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室学术委员会委员，国家电网、南方电网公司总部项目专家，三峡集团科技委专家。2008 年、2011 年分别获得西安交通大学电气工程硕士、博士，2011-2016 年瑞典查尔姆斯理工大学博士后、助理教授和副教授，2017 年日本东京都市大学 Yasuhiro Tanaka教授实验室访问科学家。近五年以第一或通信作者身份在IEEE Trans.等国际期刊上发表高水平SCI论文 70 余篇，EI期刊论文130 余篇，担任《Advanced Materials》(IF=32.086)、《Matter》(IF=19.967)、《IEEE Trans. on Industrial Informatics》(IF=11.648)、《中国电机工程学报》、《电工技术学报》等国内外著名期刊审稿人。团队长期从事先进电气材料与高压绝缘测试技术，先进电力装备与新型电缆系统，高电压新技术等先进高压输电新技术的前沿基础和应用研究，包括先进电气材料，高压绝缘测试技术，电力设备智能监测；先进电力装备，高端电缆系统，长距离随桥/隧道/海缆系统接地；高压等离子体技术及应用，全电化汽车、飞机绝缘技术等。

本工作成果发表在2024年第19期《电工技术学报》，论文标题为“直流和方波电压下有机半导电小分子/硅弹性体纳米复合材料的高温空间电荷特性“。本课题得到国家自然科学基金青年学生基础研究项目和浙江省自然科学基金重点项目的支持。

引用本文

王启隆, 陈向荣, 贺新钧, 杜浩森, 田中康宽. 直流和方波电压下有机半导电小分子/硅弹性体纳米复合材料的高温空间电荷特性[J]. 电工技术学报, 2024, 39(19): 6187-6200. Wang Qilong, Chen Xiangrong, He Xinjun, Du Haosen, Tanaka Yasuhiro. Analysis of High-Temperature Charge Dynamics of Organic Semiconductor/ Silicone Elastomer Nanocomposites under DC and Square Wave Voltages. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(19): 6187-6200.

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