Details

As electronics become smaller but the demand for high-voltage pulse resistance increases, it is increasingly vital to know how dielectric breakdown behavior manifests itself in electric fields that are transient in the sense of lasting only a few nanoseconds. This work aims to show how typical breakdown models fail to capture the temporary, nonlinear ionization events that occur during polymer dielectric breakdown. A field ionization model is combined with COMSOL Multiphysics simulations and real-life nanosecond pulse tests on PE and PET films to accurately capture breakdown dynamics.The voltage–time relationship is measured in a destructive effect integration  approach implemented in MATLAB. The model optimizes the critical material parameters energy gap and frequency factor to capture real-life behavior. Results show that the breakdown voltage of PE drops dramatically when brief pulses are applied, whereas the breakdown voltage of PET is relatively stable.The model shows a strong relationship (R²> 0.97) between the projected breakdown time and the frequency factor  and therefore proves that it is able to make accurate predictions. These results give valuable guidance for the real-life design of next-generation insulating materials and show how energy gap engineering can be combined with a frequency-aware modeling approach to guide material qualification workflows. This work represents a step forward in the theoretical and practical understanding of dielectric reliability under fast transients.

По мере того, как электроника становится меньше, а потребность в сопротивлении высоковольтным импульсам растет, становится все более важным знать, как поведение пробоя диэлектрика проявляется в электрических полях, которые являются кратковременными в том смысле, что длятся всего несколько наносекунд. Цель этой работы — показать, как типичные модели пробоя не в состоянии уловить временные, нелинейные события ионизации, которые происходят во время пробоя полимерного диэлектрика. Модель ионизации поля объединена с моделированием COMSOL Multiphysics и реальными испытаниями наносекундных импульсов на пленках ПЭ и ПЭТ для точного улавливания динамики пробоя. Зависимость напряжения от времени измеряется в подходе интеграции деструктивного эффекта, реализованном в MATLAB. Модель оптимизирует критические параметры материала, энергетический зазор и частотный фактор, чтобы уловить реальное поведение. Результаты показывают, что напряжение пробоя ПЭ резко падает при подаче коротких импульсов, тогда как напряжение пробоя ПЭТ относительно стабильно. Модель демонстрирует сильную связь (R²> 0,97) между прогнозируемым временем пробоя и частотным фактором, и, следовательно, доказывает, что она способна делать точные прогнозы. Эти результаты дают ценные рекомендации для реального проектирования изоляционных материалов следующего поколения и показывают, как инженерия энергетической щели может сочетаться с подходом моделирования с учетом частоты для руководства рабочими процессами квалификации материалов. Эта работа представляет собой шаг вперед в теоретическом и практическом понимании надежности диэлектриков при быстрых переходных процессах.

• MASTER'S THESIS