本发明专利技术属于大功率电力电子器件绝缘领域，公开了一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法及相关装置，包括：获取施加电压的场强、时间、温度和施加电压的频率；基于施加电压的场强、时间、温度和施加电压的频率，根据预设的时空耦合模型评估非线性电导复合绝缘材料的介电常数、介电损耗和电导率。时空耦合模型构建时，首先构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型。在此基础上，考虑材料的介电弛豫过程，建立材料的介电常数、介电损耗和填料取向度、施加电压的频率以及温度的关联模型。最后，考虑材料中电子在高场强的跳跃电导行为，建立材料的电导率和取向度以及温度的关系。基于时空耦合模型构建实现非线性电导复合绝缘材料介电参数的准确评估。
1、构建以高压大功率绝缘栅双极型晶体管(in-sulated gate bipolartransistor,igbt)为核心的高速度、高可靠、高效率能源变换装备，是实现将“粗电”转化为“精电”的关键。硅弹性体(silicone elas-tomer，se)因其优异的电气、机械及耐热性能被广泛用作igbt的封装绝缘材料。
2、然而，随着igbt的高压化与小型化，由于内部三结合点处介电参数不匹配导致的局部场强畸变问题愈发严重。当场强超过一定阈值时，会使得硅弹性体与基板表面产生电树枝通道和局部放电，严重时甚至造成器件损坏，进而引发大规模电力事故。因此，有效优化器件电场分布特性是决定系统安全稳定运行的关键。
3、近年来，非线性电导复合绝缘材料因其场强调控方式灵活，能够有效抑制igbt的局部电场畸变。其中，通过原位电场诱导实现填料自组装是一种先进的材料制备技术，该技术利用电场的作用力引导填料颗粒在基体中进行有序排列，从而优化材料的性能，是一种高效的场强优化方法。然而，在原位电场辅助制备过程中，材料非线性参数是时间和空间的函数，为了获得理想的参数分布状态，最大程度上优化电场，需要精确控制工艺参数。这些参数(包括环境温度、填料取向度和时间等)彼此之间是强耦合的，并与结构形状有关。因此，它们难以通过实验测量，无法有效感知非线性电导复合绝缘材料的性能。
>1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法及相关装置。2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、本专利技术第一方面，提供一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，包括：获取施加电压的场强、时间、温度和施加电压的频率；基于施加电压的场强、时间、温度和施加电压的频率，根据预设的时空耦合模型评估非线性电导复合绝缘材料的介电常数、介电损耗和电导率；其中，时空耦合模型通过下述方式得到：构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型；基于介电弛豫过程，建立非线性电导复合绝缘材料的介电常数和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第一关联模型，建立非线性电导复合绝缘材料的介电损耗和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第二关联模型；基于非线性电导复合绝缘材料中电子在高场强的跳跃电导行为，建立非线性电导复合绝缘材料的电导率和填料取向度以及温度之间关系的第三关联模型；将填料取向度与施加电压场强和时间的指数模型代入第一关联模型、第二关联模型和第三关联模型中并组合，得到时空耦合模型。
4、可选的，所述构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型包括：以填料取向过程中的电流变化归一化幅值作为表征填料取向度d的定量指标，在考虑粒子完全取向所需弛豫时间常数τ的基础上，通过下式对电流变化归一化曲线进行拟合，获得d与施加电压的场强e和时间t的关系d(e,t)：
5、
6、其中，a1为归一化电流稳态值，a2为归一化电流初始值；
7、通过对电流变化归一化曲线进行拟合，得到τ与e的关系为：
8、τ＝a3exp(-a4e)
9、根据d(e,t)和τ与e的关系，构建d与e和t的指数模型：
10、
11、其中，a3和a4均为拟合参数。
12、可选的，所述建立非线性电导复合绝缘材料的介电常数和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第一关联模型包括：
13、基于测试的tsdc电流itsdc确定非线性电导复合绝缘材料的势垒高度h：
14、
15、通过下式构建势垒高度h和填料取向度d的非线性关联模型：
16、
17、根据分子运动势垒能级和克-莫方程推导出偶极子极化的介电常数的表达式：
18、
19、
20、对上式进一步变换可以得到：
21、
22、构建下式的第一关联模型：
23、
24、其中，p0为电荷在冻结后充分极化的极化强度；τ0为电荷的固有弛豫时间，满足定量关系τ0＝π/ω0，ω0为电荷在势垒中热运动的固有角施加电压的频率；t为温度；t0为tsdc测试开始加热时样品的最低温度；k为玻尔兹曼常数；ω为交变电场角施加电压的频率；εs为静态介电常数；ε∞为光频介电常数；τd为弛豫的极化时间；ν为分子平衡状态的热振动施加电压的频率；a5、a6、a8、a9和a10均为拟合参数；ε′为介电常数。
25、可选的，所述建立非线性电导复合绝缘材料的介电损耗和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第二关联模型包括：
26、根据分子运动势垒能级和克-莫方程推导出偶极子极化的介电损耗的表达式：
27、
28、对上式进一步变换可以得到：
29、
30、构建下式的第二关联模型：
31、
32、其中，ε″为介电损耗；a11为拟合参数。
33、可选的，所述建立非线性电导复合绝缘材料的电导率和填料取向度以及温度之间关系的第三关联模型包括：
34、载流子通过跳跃电导迁移形成的电流密度与外电场场强的关系为：
35、j(d,t)＝a(d,t)·sinh(b(d,t)·ew)
36、
37、b(d,t)＝er(d,t)/2kt
38、其中，ew为外电场场强，n为载流子浓度，e为基本电荷，r为平均跳跃距离，ν为电荷逃逸施加电压的频率，ehop为平均跳跃活化能，ea为填料的受主能级大小；j(d,t)为电流密度；a(d,t)为跳跃电导电流；b(d,t)为中间过程参数；
39、基于上式建立相应的求解模型：
40、
41、r(d,t)＝s2(t)p(d)
42、α(t)＝s1(t)/s2(t)
43、进一步得到：
44、
45、转换为第三关联模型：
46、
47、其中，p(d)＝-b1d3+b2d2-b3d+b4，s2(t)＝-b5t2+b6t-b7，α(t)＝2eνn(t)＝b8t2-b9t+b10，m(d)＝b11d2+b12d+b13；p(d)，s2(t)，α(t)和m(d)均为拟合时的过程参数；b1至b13均为拟合参数。
48、本专利技术第二方面，提供一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估系统，包括：数据获取模块，用于获取施加电压的场强、时间、温度和施加电压的频率；参数评估模块，用于基于施加电压的场强、时间、温度和施加电压的频率，根据预设的时空耦合模型评估非线性电导复合绝缘材料的介电常数、介电损耗和电导率；其中，时空耦合模型通过下述方式得到：构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型包括：
3.根据权利要求1所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述建立非线性电导复合绝缘材料的介电常数和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第一关联模型包括：
4.根据权利要求3所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述建立非线性电导复合绝缘材料的介电损耗和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第二关联模型包括：
5.根据权利要求4所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述建立非线性电导复合绝缘材料的电导率和填料取向度以及温度之间关系的第三关联模型包括：
6.一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估系统，其特征在于，所述构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型包括：
8.根据权利要求1所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估系统，其特征在于，还包括时空耦合模型构建模块，用于构建时空耦合模型。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法的步骤。
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【技术特征摘要】
1.一种非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述构建填料取向度与施加电压的场强和时间的指数模型包括：
3.根据权利要求1所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述建立非线性电导复合绝缘材料的介电常数和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第一关联模型包括：
4.根据权利要求3所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述建立非线性电导复合绝缘材料的介电损耗和填料取向度、施加电压的频率以及温度之间关系的第二关联模型包括：
5.根据权利要求4所述的非线性电导复合绝缘材料介电参数评估方法，其特征在于，所述建立非线性电导复合绝缘材料的电导率和填料取向度以及温度之间关系的第三关联模型包括：
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【专利技术属性】
技术研发人员：姚欢民，穆海宝，李鹤，张大宁，张冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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