陡波電容分壓器分布參數(shù)的測(cè)定與仿真

朱金龍，張大偉，李　政，王振達(dá)，胡　岸

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159； 2.成都美創(chuàng)醫(yī)療科技股份有限公司，四川 成都 610051)

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陡波電容分壓器分布參數(shù)的測(cè)定與仿真

朱金龍1，張大偉1，李政2，王振達(dá)1，胡岸1

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159； 2.成都美創(chuàng)醫(yī)療科技股份有限公司，四川 成都 610051)

摘要：利用阻抗增益解析裝置測(cè)量高壓電容分壓器的低壓臂電容阻抗頻率特性和相位頻率特性.計(jì)算電容等效串聯(lián)電阻及等效串聯(lián)電感等寄生參數(shù)，并通過(guò)多個(gè)電容并聯(lián)的方式減小寄生參數(shù)值，提高分壓器的頻率響應(yīng).通過(guò)仿真，以實(shí)測(cè)頻率特性為目標(biāo)調(diào)節(jié)分壓器仿真寄生參數(shù)，電容的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感誤差均小于5%,仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果基本相符.

關(guān)鍵詞：電容等效模型；串聯(lián)諧振；頻率特性；分布參數(shù)

脈沖高電壓的幅值一般為幾千伏到幾兆伏[1]，通常采用分壓器分壓進(jìn)行測(cè)量.常用的脈沖高壓分壓器有電阻分壓器、電容分壓器和阻容分壓器.電容分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其頻率響應(yīng)可以做得很寬，在良好的結(jié)構(gòu)中可達(dá)1 500 MHz,且輸入阻抗近似于“開路”，對(duì)被測(cè)電路的影響較小，可用于高頻脈沖電壓的測(cè)量系統(tǒng).但是,電容分壓器受其自身結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)地雜散電容、分壓器元件自生分布參數(shù)對(duì)分壓器輸出特性有較大的干擾[2]，表現(xiàn)為輸出波形畸變、高頻寄生振蕩等波形失真[2-5].因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)分壓器，降低其自身誤差對(duì)其頻率特性的提高是必要和有效的.

本研究通過(guò)分析電容的Spice模型，提出利用串聯(lián)諧振原理[6]測(cè)定分壓器低壓臂電容分布參數(shù)的方法，并通過(guò)仿真來(lái)分析測(cè)量誤差.在此基礎(chǔ)上利用多個(gè)低壓臂電容并聯(lián)的方式，降低了分壓器分布參數(shù)，提高了它的頻率特性.

1電容分壓器

電容分壓器包括高壓臂電容C0、低壓臂電容C1、同軸電纜Z0、匹配電阻R(R=Z0)、被測(cè)脈沖電壓Ui和輸出電壓U0(圖1).

圖1　電容分壓器的原理

C0容值應(yīng)盡量小，以避免雜散電容的影響，且C0需具有足夠的絕緣耐壓水平.電容C0、C1都應(yīng)具有較小的串聯(lián)寄生電感.理想狀態(tài)的分壓器分壓比為：

(1)

在實(shí)際狀態(tài)下，分壓器組成元件中電容本身不是理想元件，各單元的寄生電感、串聯(lián)電阻會(huì)與電容C0、C1構(gòu)成一系列高頻振蕩回路，引起欠阻尼振蕩波，造成波形畸變[7]，這是影響電容分壓器頻率響應(yīng)特性的主要原因.

2電容等效模型

電容等效模型包括等效串聯(lián)電阻Rser、等效串聯(lián)電感Lser、電容C、等效旁路電阻Rpar、等效旁路電容Cpar以及Lser的分流電阻RL(圖2).

圖2　電容等效模型

實(shí)際應(yīng)用中常采用的電容簡(jiǎn)化模型是典型的RLC串聯(lián)電路(圖3).本研究同樣采用電容簡(jiǎn)化模型來(lái)分析分壓器的電容特性.

圖3　電容簡(jiǎn)化模型

該RLC串聯(lián)電路的回路阻抗為：

Z(jω)=Rser+j(ωLser-1/ωC)

(2)

式中：ω為角頻率；j為回路阻抗幅值虛部.

當(dāng)回路阻抗幅值虛部為零時(shí)，回路阻抗最小，呈現(xiàn)純阻性，回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振.利用阻抗增益解析裝置，可得到電容的阻抗頻率特性與相位頻率特性曲線，進(jìn)一步獲得電容諧振點(diǎn)處的阻抗對(duì)數(shù)值HdB.由上述等效模型分析得到的電容等效串聯(lián)電阻為：

Rser=10HdB/20

(3)

等效串聯(lián)電感為：

(4)

式中，f0為諧振點(diǎn)頻率.

為了減小高頻振蕩對(duì)回路的影響，需要減小回路寄生參數(shù)，可采用由多個(gè)電容并聯(lián)的方式組成低壓臂電容.

3電容仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在自制電容分壓器時(shí)，低壓臂電容采用10個(gè)3.3 nF的云母電容并聯(lián)，高壓臂電容采用10 pF的高壓電容.利用阻抗增益解析裝置來(lái)實(shí)際測(cè)定電容的阻抗頻率特性(圖4).

圖4　電容的實(shí)測(cè)頻率特性曲線

在圖4(a)中，諧振點(diǎn)頻率f0為6.363 642 MHz時(shí)，計(jì)算得到的電容等效串聯(lián)電感Lser為0.189 54 μH；諧振點(diǎn)阻抗對(duì)數(shù)值HdB為4.736 17 dBΩ時(shí)， 計(jì)算得到的電容等效串聯(lián)電阻Rser為1.725 Ω.

在圖4(b)中，為減小分壓器高頻振蕩對(duì)脈沖測(cè)量結(jié)果的影響，分壓器低壓臂電容由10個(gè)3.3 nF電容并聯(lián)而成.測(cè)量可得，諧振點(diǎn)頻率f0為1.818 2 MHz時(shí)，阻抗對(duì)數(shù)值HdB為-17.588 5 dB，計(jì)算得到的等效串聯(lián)電阻Rser為0.13 Ω，等效串聯(lián)電感Lser為232 nH.等效串聯(lián)電阻是單個(gè)3.3 nF電容的1/10數(shù)量級(jí).

在電容仿真中設(shè)定的參數(shù)如下：電容為3.3 nF；等效串聯(lián)電阻為1.724 8 Ω，誤差為0.01；等效串聯(lián)電感為189.5 nH，誤差為0.002.根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，可得到電容的仿真頻率特性曲線(圖5).

1.阻抗頻率特性；2.相位頻率特性圖5　電容的仿真頻率特性曲線

從圖5可知，諧振點(diǎn)頻率f0為6.364 29 MHz時(shí)，阻抗對(duì)數(shù)值HdB為4.734 72 dB.對(duì)比仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線，電容的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感誤差均小于5%，兩者基本相符.

采用多個(gè)電容并聯(lián)方式能夠有效減小低壓臂電容的內(nèi)在寄生參數(shù).電容并聯(lián)焊接過(guò)程存在焊接電阻和電感，焊接電感大于云母電容自身電感，導(dǎo)致多個(gè)電容并聯(lián)對(duì)低壓臂電容總電感值的減小無(wú)明顯影響.

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析電容模型，根據(jù)串聯(lián)諧振原理，提出利用阻抗增益解析裝置測(cè)量電容寄生參數(shù)的方法，給出了寄生參數(shù)的計(jì)算公式.仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，并在該方法的基礎(chǔ)上提出用電容分壓器低壓臂多個(gè)電容并聯(lián)的方式優(yōu)化電容分壓器設(shè)計(jì)，優(yōu)化了其相應(yīng)特性.但是該設(shè)計(jì)還存在一些高頻振蕩，需要通過(guò)阻抗匹配、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化.

參考文獻(xiàn):

[1]韓旻，鄒曉兵，張新貴.脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]田世杰.脈沖高壓同軸電容分壓器的設(shè)計(jì)與研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2012.

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[7]文遠(yuǎn)芳.高電壓技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

Measurement and Simulation of Distribution Parameters of Steep Wave Capacitive Divider

ZHU Jin-long1，ZHANG Da-wei1，LI Zheng2，WANG Zhen-da1，HU An1

(1.School of Automation and Electrical Engineering，Shenyang Ligong University， Shenyang 110159，China；2.Chengdu Mechan Electronic Technology Co.,Ltd.,Chengdu 610051，China)

Abstract：Impedance frequency characteristics and phase frequency characteristics of low voltage arm capacitor of high-voltage capacitor dividers measured by impedance gain-phase analyzer to calculate the parasitic parameters of capacitance equivalent series resistance and equivalent series inductance and to decrease the parasitic parameter value by multi capacitances parallel connection to improve the frequency response of the voltage divider. Besides, adjust simulation parasitic parameter of the target voltage divider to measure the actual frequency by the simulation whose error factor is less than 5%. The simulation results and measurement results are basically consistent.

Key words:capacitance equivalent model; series resonant; frequency characteristic; distribution parameters

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.01.011

中圖分類號(hào)：TM83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：朱金龍(1989-)，男，江蘇如皋人，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏好}沖功率技術(shù).

收稿日期：2015-10-11

文章編號(hào)：1006-3269(2016)01-0057-03