Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University9910.18323/2073-5073-2019-1-6-12ArticlesСтатьиTHE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE TECHNIQUE OF CALCULATION OF THERMAL BREAKDOWN VOLTAGE IN THE HIGH-FREQUENCY STRUCTURESРАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПРОБОЯ В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СТРУКТУРАХVolokobinskyE. M.ВолокобинскийЕ. М.
Russian Federation

engineer of Chair of Designing and Technology of Production of Radioelectronic Facilities

инженер кафедры конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств

Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of TelecommunicationsСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича2903201916121103202111032021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/99

The paper deals with the description of a new technique of calculations of the heat release processes at the high and ultra-high frequencies associated with the losses in composite materials (CM) what may cause the destruction of radio components. The study of thermal breakdown is necessary to determine the mechanism and nature of change of dielectric properties. Thermal breakdown influences destructively the composite material radio components or even causes their failure. The heating phenomena are rather complex and the calculation of its origination mechanism, as well as the stages of the origination and development of thermal effect and composite material aging, are scientifically and practically attractive.

The goal of the study is the development of a technique for calculation of heat removal and thermal breakdown voltage in the high-frequency structures both for a structure cooled from the one side and for a structure cooled from two sides.

The author got the formulas for calculation of the thermal breakdown voltage of the small-size insulators both in the cases when the electric field is uniform and in the cases when it is non-uniform.

It is experimentally proved that when increasing the temperature of the environment, the value of thermal overload decreases for the composite dielectric materials. When increasing the frequency, the temperature differential increases; at the high frequencies, large temperature differentials occur in the structures made of composite dielectric materials that cause the destruction.

The calculation technique proposed by the author ensures the calculation accuracy sufficiently high for the practical purpose. The study of the breakdown of the discoid components made of a composite containing titanium dioxide shows that in the interval of frequencies f from 0.5 to 1.5 MHz, the temperature and frequency dependencies of thermal breakdown voltage are compliant with the calculations according to the proposed technique.

Статья посвящена описанию нового метода расчетов процессов тепловыделения на высоких и сверхвысоких частотах, связанных с потерями в композиционных материалах (КМ), что может привести к разрушению радиодеталей. Исследование теплового пробоя необходимо для выяснения механизма и природы изменения диэлектрических свойств. Тепловой пробой вредно влияет на детали из КМ или даже приводит к их разрушению. Явления нагрева весьма сложны, и расчет механизма его возникновения, а также этапов на пути возникновения и развития теплового эффекта и старения КМ представляет научный и практический интерес.

Цель исследования – разработка метода расчета теплоотвода и напряжения теплового пробоя в высокочастотных структурах как для структуры, охлаждаемой с одной стороны, так и для структуры, охлаждаемой с двух сторон.

Получены формулы для расчета напряжения теплового пробоя малогабаритных изоляторов как в случае, если электрическое поле однородно, так и в случае, если оно неоднородно.

Экспериментально подтверждено, что при повышении температуры среды величина перегрева уменьшается для композиционных диэлектрических материалов. При увеличении частоты возрастает перепад температуры; на высоких частотах в конструкциях из композиционных диэлектрических материалов возникают большие перепады температур, приводящие к разрушению.

Предложенный автором метод расчета обеспечивает достаточно высокую для практических целей точность расчета. Исследование пробоя дискообразных деталей из композита, содержащего двуокись титана, показало, что в интервале частот f от 0,5 до 1,5 МГц температурная и частотная зависимости напряжения теплового пробоя согласуются с расчетами по предлагаемому методу.

calculation techniquedielectric composite materialsdielectric loss tangenttemperature and frequency dependenciesthermal breakdownthermal breakdown voltagethermoelastic breakdownметод расчетадиэлектрические композиционные материалытангенс угла диэлектрических потерьтемпературные и частотные зависимоститепловой пробойнапряжение теплового пробоятермоупругий пробойPoberezhskiy L.P. Oscillography of internal insulation currents in the layer of the insulation in the presence of interference. Vestnik elektropromyshlennosti, 1961, no. 12, pp. 50–51.Побережский Л.П. Осциллографирование токов внутренней изоляции в толще изоляции при наличии помех // Вестник электропромышленности. 1961. № 12. С. 50–51.Dulnev G.N., Semyashkin E.M. Teploobmen v radioelektronnykh apparatakh [Heat transfer in electronic devices]. Moscow, Energiya Publ., 1968. 492 p.Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. М.: Энергия, 1968. 492 с.Braude E.V. Determination of the electrical strength of the of installational ceramic insulators in high-power radio transmitting devices. Voprosy radioelektroniki. Seriya X: Tekhnika radiosvyazi, 1960, no. 2, pp. 82–116.Брауде Е.В. Определение электрической прочности установочных керамических изоляторов в мощных радиопередающих устройствах // Вопросы радиоэлектроники. Серия Х: Техника радиосвязи. 1960. № 2. С. 82–116.Puchkovskiy V.V., Myakinin E.G. Thermal breakdown of a two-layer dielectric. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal, 1962, vol. 5, no. 9, pp. 33–37.Пучковский В.В., Мякинин Е.Г. Тепловой пробой двухслойного диэлектрика // Инженерно-физический журнал. 1962. Т. 5. № 9. С. 33–37.Afanasev A.M., Podgornyy V.V., Siplivyy B.N., Yatsyshen V.V. Calculation of the thermal effects of microwave radiation on flat water-containing objects of a layered structure. Fizika voln, protsessov i radiotekhnicheskoy sistemy, 1998, vol. 1, no. 2, pp. 83–90.Афанасьев A.M., Подгорный В.В., Сипливый Б.Н., Яцышен В.В. Расчет теплового воздействия СВЧ излучения на плоские водосодержащие объекты слоистой структуры // Физика волн, процессов и радиотехнической системы. 1998. T. l. № 2. С. 83–90.Sergeeva E.A., Adbullin I.Sh. Activation of the high modulus high molecular polyethylene fibres by activeted by nonequilibrium low-temperature plasma. Nanotekhnika, 2009, no. 2, pp. 12–15.Сергеева Е.А., Адбуллин И.Ш. Активация нанокристаллических полиэтиленовых волокон неравновесной низкотемпературной плазмой // Нанотехника. 2009. № 2. С. 12–15.Skvortsov A.A., Kalenkov S.G., Koryachko M.V. Phase transformations in the systems of metallization with non-stationary thermal effects. Pisma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 2014, vol. 40, no. 18, pp. 24–32.Скворцов А.А., Каленков С.Г., Корячко М.В. Фазовые превращения в системах металлизации при нестационарном тепловом воздействии // Письма в журнал технической физики. 2014. Т. 40. № 18. С. 24–32.Burya A.I., Tkachenko E.V., Chigvintseva O.P. Polyamide composites: properties and applications. Kompozitsionnye materialy, 2009, vol. 3, no. 1, pp. 4–21.Буря А.И., Ткаченко Э.В., Чигвинцева О.П. Полиамидные композиты: свойства и применение // Композиционные материалы. 2009. Т. 3. № 1. C. 4–21.Emelyanov O.A., Ivanov I.O. Fast electromigration crack in nanoscale aluminum film. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, no. 6, pp. 1–4.Emelyanov O.A., Ivanov I.O. Fast electromigration crack in nanoscale aluminum film // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 116. № 6. P. 1–4.Komarov V.V. The error of linearization of the solution of the joint boundary value problem of electrodynamics and heat conduction for dissipative dielectrics. Radiotekhnika, 2006, no. 12, pp. 78–82.Комаров В.В. Погрешность линеаризации решения совместной краевой задачи электродинамики и теплопроводности для диссипативных диэлектриков // Радиотехника. 2006. № 12. С. 78–82.Makdessi M., Sari A., Vente P. Metallized polymer film capacitors ageing law based on capacitance degradation. Microelectronics Reliability, 2014, vol. 54, no. 9, pp. 1823–1829.Makdessi M., Sari A., Vente P. Metallized polymer film capacitors ageing law based on capacitance degradation // Microelectronics Reliability. 2014. Vol. 54. № 9. P. 1823–1829.Kazanskiy L.S., Minkin M.A. On the modification of the generalized equivalent circuit method. Vestnik Samarskogo otraslevogo nauchnogo issledovatelskogo instituta radio, 2004, no. 2, pp. 54–57.Казанский Л.С., Минкин М.А. О модификации метода обобщенной эквивалентной цепи // Вестник Самарского отраслевого научного исследовательского института радио. 2004. № 2. С. 54–57.Gradshteyn N.S., Ryzhik I.M. Tablitsy integralov, summ, ryadov i proizvedeniy [Tables of integrals, sums, series and products]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1963. 1100 p.Градштейн Н.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1963. 1100 с.Serebrov R.A., Fridman B.E., Martynenko V.A., Khapugin A.A. Design and testing of heavy pulse current switches based on photothyristors. Russian Electrical Engineering, 2016, vol. 87, no. 7, pp. 395–402.Серебров Р.А., Мартыненко В.А., Фридман Б.Э., Хапугин А.А. Разработка и исследование коммутаторов больших импульсных токов на основе фототиристоров // Электротехника. 2016. № 7. С. 35–43.Jow T.R., MacDougall F.W., Ennis J.B., Yang X.H., Schneider M.A., Scozzie C.J., White J., Macdonald J.R., Schalnat M.C., Cooper R.A., Yen S.P.S. Pulsed Power Capacitor Development and Outlook. IEEE Pulse Power Conference. Switzerland, IEEE Publ., 2015, pp. 1–7.Jow T.R., MacDougall F.W., Ennis J.B., Yang X.H., Schneider M.A., Scozzie C.J., White J., Macdonald J.R., Schalnat M.C., Cooper R.A., Yen S.P.S. Pulsed Power Capacitor Development and Outlook // IEEE Pulse Power Conference. Switzerland: IEEE, 2015. P. 1–7.Kazanskiy L.S., Minkin M.A., Yudin V.V. Calculation of symmetric radiating systems by the method of a generalized equivalent circuit. Radiotekhnika, 2005, no. 1, pp. 73–75.Казанский Л.С., Минкин М.А., Юдин В.В. Расчет симметричных излучающих систем методом обобщенной эквивалентной цепи // Радиотехника. 2005. № 1. С. 73–75.Buzova M.A., Yudin B.B. Proektirovanie provolochnykh antenn na osnove integralnykh uravneniy [Design of wire antennas on the basis of integral equations]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 2005. 172 p.Бузова М.А., Юдин B.B. Проектирование проволочных антенн на основе интегральных уравнений. М.: Радио и связь, 2005. 172 с.Buzova M.A., Yudin V.V. Integral equation of the second kind for a linear vibrator. Vestnik Samarskogo otraslevogo nauchnogo issledovatelskogo instituta radio, 2003, no. 1, pp. 22–27.Бузова М.А., Юдин В.В. Интегральное уравнение второго рода для линейного вибратора // Вестник Самарского отраслевого научного исследовательского института радио. 2003. № 1. C. 22–27.Belko V.O., Emelyanov O.A. Self-healing in segmented metallized film capacitors: Experimental and theoretical investigations for engineering design. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 119, no. 2, pp. 1–7.Belko V.O., Emelyanov O.A. Self-healing in segmented metallized film capacitors: Experimental and theoretical investigations for engineering design // Journal of Applied Physics. 2016. Vol. 119. № 2. P. 1–7.Karnakov B.M., Mur V.D., Popruzhenko S.V., Popov V.S. Current progress in developing the nonlinear ionization theory of atoms and ions. Physics-Uspekhi, 2015, vol. 58, no. 1, pp. 3–32.Карнаков Б.М., Мур В.Д., Попруженко С.В., Попов В.С. Современное развитие теории нелинейной ионизации атомов и ионов // Успехи физических наук. 2015. Т. 185. № 1. С. 3–34.Minkin M.A. Analysis of the parametric sensitivity of radiating structures based on the method of a generalized equivalent circuit. Radiotekhnika, 2001, no. 11, pp. 86–89.Минкин М.А. Анализ параметрической чувствительности излучающих структур на основе метода обобщенной эквивалентной цепи // Радиотехника. 2001. № 11. С. 86–89.Matveev V.I., Makarov D.N., Kapustin S.N. Dimensions of neutral clusters and processes of their fragmentation during ionic sputtering of a solid. Pisma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 2015, vol. 41, no. 16, pp. 15–20.Матвеев В.И., Макаров Д.Н., Капустин С.Н. Размеры нейтральных кластеров и процессы их фрагментации при ионном распылении твёрдого тела // Письма в журнал технической физики. 2015. Т. 41. № 16. С. 15–20.Liang Y. Transient temperature analysis and short-term ampacity calculation of power cables in tunnel using SUPG finite element method. 2013 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. Switzerland, IEEE Publ., 2013, pp. 1–4.Liang Y. Transient temperature analysis and short-term ampacity calculation of power cables in tunnel using SUPG finite element method // 2013 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. Switzerland: IEEE, 2013. P. 1–4.Skvortsov A.A., Zuev S.M., Koryachko M.V. Electrothermal degradation of systems of metallization at non-stationary current influences. International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. Saratov, TUS im. Yuriy Gagarin Publ., 2014, pp. 340–343.Skvortsov A.A., Zuev S.M., Koryachko M.V. Electrothermal degradation of systems of metallization at nonstationary current influences // International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. Saratov: TUS im. Yuriy Gagarin, 2014. P. 340–343.