陡波电容分压器分布参数的测定与仿真

朱金龙，张大伟，李　政，王振达，胡　岸

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159； 2.成都美创医疗科技股份有限公司，四川 成都 610051)



陡波电容分压器分布参数的测定与仿真

朱金龙1，张大伟1，李政2，王振达1，胡岸1

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159； 2.成都美创医疗科技股份有限公司，四川 成都 610051)

摘要：利用阻抗增益解析装置测量高压电容分压器的低压臂电容阻抗频率特性和相位频率特性.计算电容等效串联电阻及等效串联电感等寄生参数，并通过多个电容并联的方式减小寄生参数值，提高分压器的频率响应.通过仿真，以实测频率特性为目标调节分压器仿真寄生参数，电容的等效串联电阻和等效串联电感误差均小于5%,仿真结果与测量结果基本相符.

关键词：电容等效模型；串联谐振；频率特性；分布参数

脉冲高电压的幅值一般为几千伏到几兆伏[1]，通常采用分压器分压进行测量.常用的脉冲高压分压器有电阻分压器、电容分压器和阻容分压器.电容分压器结构简单，其频率响应可以做得很宽，在良好的结构中可达1 500 MHz,且输入阻抗近似于“开路”，对被测电路的影响较小，可用于高频脉冲电压的测量系统.但是,电容分压器受其自身结构的影响，对地杂散电容、分压器元件自生分布参数对分压器输出特性有较大的干扰[2]，表现为输出波形畸变、高频寄生振荡等波形失真[2-5].因此，优化设计分压器，降低其自身误差对其频率特性的提高是必要和有效的.

本研究通过分析电容的Spice模型，提出利用串联谐振原理[6]测定分压器低压臂电容分布参数的方法，并通过仿真来分析测量误差.在此基础上利用多个低压臂电容并联的方式，降低了分压器分布参数，提高了它的频率特性.

1电容分压器

电容分压器包括高压臂电容C0、低压臂电容C1、同轴电缆Z0、匹配电阻R(R=Z0)、被测脉冲电压Ui和输出电压U0(图1).

图1　电容分压器的原理

C0容值应尽量小，以避免杂散电容的影响，且C0需具有足够的绝缘耐压水平.电容C0、C1都应具有较小的串联寄生电感.理想状态的分压器分压比为：

(1)

在实际状态下，分压器组成元件中电容本身不是理想元件，各单元的寄生电感、串联电阻会与电容C0、C1构成一系列高频振荡回路，引起欠阻尼振荡波，造成波形畸变[7]，这是影响电容分压器频率响应特性的主要原因.

2电容等效模型

电容等效模型包括等效串联电阻Rser、等效串联电感Lser、电容C、等效旁路电阻Rpar、等效旁路电容Cpar以及Lser的分流电阻RL(图2).

图2　电容等效模型

实际应用中常采用的电容简化模型是典型的RLC串联电路(图3).本研究同样采用电容简化模型来分析分压器的电容特性.

图3　电容简化模型

该RLC串联电路的回路阻抗为：

Z(jω)=Rser+j(ωLser-1/ωC)

(2)

式中：ω为角频率；j为回路阻抗幅值虚部.

当回路阻抗幅值虚部为零时，回路阻抗最小，呈现纯阻性，回路产生串联谐振.利用阻抗增益解析装置，可得到电容的阻抗频率特性与相位频率特性曲线，进一步获得电容谐振点处的阻抗对数值HdB.由上述等效模型分析得到的电容等效串联电阻为：

Rser=10HdB/20

(3)

等效串联电感为：

(4)

式中，f0为谐振点频率.

为了减小高频振荡对回路的影响，需要减小回路寄生参数，可采用由多个电容并联的方式组成低压臂电容.

3电容仿真与实测结果对比

在自制电容分压器时，低压臂电容采用10个3.3 nF的云母电容并联，高压臂电容采用10 pF的高压电容.利用阻抗增益解析装置来实际测定电容的阻抗频率特性(图4).

图4　电容的实测频率特性曲线

在图4(a)中，谐振点频率f0为6.363 642 MHz时，计算得到的电容等效串联电感Lser为0.189 54 μH；谐振点阻抗对数值HdB为4.736 17 dBΩ时， 计算得到的电容等效串联电阻Rser为1.725 Ω.

在图4(b)中，为减小分压器高频振荡对脉冲测量结果的影响，分压器低压臂电容由10个3.3 nF电容并联而成.测量可得，谐振点频率f0为1.818 2 MHz时，阻抗对数值HdB为-17.588 5 dB，计算得到的等效串联电阻Rser为0.13 Ω，等效串联电感Lser为232 nH.等效串联电阻是单个3.3 nF电容的1/10数量级.

在电容仿真中设定的参数如下：电容为3.3 nF；等效串联电阻为1.724 8 Ω，误差为0.01；等效串联电感为189.5 nH，误差为0.002.根据仿真数据，可得到电容的仿真频率特性曲线(图5).

1.阻抗频率特性；2.相位频率特性图5　电容的仿真频率特性曲线

从图5可知，谐振点频率f0为6.364 29 MHz时，阻抗对数值HdB为4.734 72 dB.对比仿真曲线与实测曲线，电容的等效串联电阻和等效串联电感误差均小于5%，两者基本相符.

采用多个电容并联方式能够有效减小低压臂电容的内在寄生参数.电容并联焊接过程存在焊接电阻和电感，焊接电感大于云母电容自身电感，导致多个电容并联对低压臂电容总电感值的减小无明显影响.

4结束语

通过分析电容模型，根据串联谐振原理，提出利用阻抗增益解析装置测量电容寄生参数的方法，给出了寄生参数的计算公式.仿真验证了该方法的有效性，并在该方法的基础上提出用电容分压器低压臂多个电容并联的方式优化电容分压器设计，优化了其相应特性.但是该设计还存在一些高频振荡，需要通过阻抗匹配、结构优化等方式继续进行进一步优化.

参考文献:

[1]韩旻，邹晓兵，张新贵.脉冲功率技术基础[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]田世杰.脉冲高压同轴电容分压器的设计与研究[D].保定：华北电力大学，2012.

[3]赵海翔，杨海芳，张源斌.集中式电容分压器分压比稳定性的研究[J].高电压技术，1998,24(2):66-69.

[4]Shesha Jayaram. High divider ratio fast response capacitive dividers f or high voltage pulse measurements[J].IEEE Trans on Industry Applications.2000,36(3):920-922.

[5]Wong C S.Simple nanosecond capacitance capacitive voltage divider[J].Rev Sci Insteum,1985,56(5):767-769.

[6]张大伟.LLC谐振高压变压器模型参数测量[J].沈阳理工大学学报，2012，31(2)：39-42.

[7]文远芳.高电压技术[M].武汉：华中科技大学出版社，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

中图分类号：TM83

文献标识码：A

作者简介：朱金龙(1989-)，男，江苏如皋人，硕士研究生，研究方向为高压脉冲功率技术.

收稿日期：2015-10-11

文章编号：1006-3269(2016)01-0057-03