高压脉冲分压器

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【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.【期刊名称】《成组技术与生产现代化》【年(卷),期】2016(033)001【总页数】3页(P57-59)【关键词】电容等效模型;串联谐振;频率特性;分布参数【作者】朱金龙;张大伟;李政;王振达;胡岸【作者单位】沈阳理工大学自动化与电气工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学自动化与电气工程学院,辽宁沈阳110159;成都美创医疗科技股份有限公司,四川成都610051;沈阳理工大学自动化与电气工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学自动化与电气工程学院,辽宁沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TM83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.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).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：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.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).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.该RLC串联电路的回路阻抗为：Z(jω)=Rser+j(ωLser-1/ωC)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等效串联电感为：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.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).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).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.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.【相关文献】[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.。

（分压器设计）1基本原则：合理设计分压器对正确使用光电倍增管是非常重要的，不恰当的分压器会引起管子的分辨率，线性和稳定性变化。

分压器的设计应根据对管子的要求（最佳信噪比，高增益，大电流输出等）来考虑。

光电倍增管的分压器可细分为三个部分：前级（阴极—第一倍增极），中间级，末级。

A 阴极一第一倍增极维持阴极与第一倍增极之间具有适当高的电场是很重要的。

前级电压的分配是由电子收集效率，第一倍增极二次电子发射系数和时间特性，信噪比决定的，应用于能谱分析的光电倍增管前级电压应从脉冲幅度分辨率或噪声这些参数来确定。

B 中间倍增极中间倍增极的电压可根据需要的增益来选择。

在某些场合，希望降低管子的增益而不改变总电压，简单方法是调节中间倍增极之间的电位来达到（在一定范围内是适用的）中间倍增极一般采用均匀分压器，但对聚焦型结构（直线聚焦结构）。

前面几个倍增极之间的电压，对脉冲幅度分辨率和时间特性等参数仍有相当大的影响，应仔细挑选。

C 末级倍增极末级倍增极分压器由输出线性决定。

在一些应用中（如高能物理）有强的脉冲信号输出，为了降低空间电荷效应，在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所加电压应适当的提高，增加后几个倍增极和阳极的电位梯度，基本这种考虑，一般采用锥形分压器（图13）。

为了避免在最后几个倍增极由于信号脉冲电流过大而影响倍增极电位分布，往往需要在最后若干个倍增极接上去耦电容（脉冲信号型分压器）电容值依赖于输出电荷。

如果线性要求优于10%，电容的取值要达到每个脉冲的输出电荷的至少100倍，即C100兰 V这里I 为峰值输出电流（安培）t 为脉冲宽度（秒）V 是电容上所加的电压（伏）。

图13基本分压器电路图R R R2 3L|口Li]Unp LuHV2通用分压器A 直流(DC )输出型图14直流工作分压器回路B 脉冲信号型如图(15)所示，在最后几个倍增极上接上去耦电容，在脉冲期间，补充光电倍增管电荷以抑制末极倍增极和阳极的电压下降，而大大改善脉冲信号的线性。

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一、概述与测量原理NRP系列脉冲分压器（也叫冲击分压器）是弱阻尼等电位屏蔽式高压测量系统,主要用于雷电波测量,包括雷电全波,8/20us波及其他雷电波形。

是雷电波专用分压器,具有操作简便，显示直观，精度高、体积小、重量轻等特点.适用于电网一次设备的型式试验(如氧化锌避雷器雷电波陡波试验、电压互感器雷电全波试验、高压开关雷电全波试验、变电站主变的型式试验、高压GIS 试验等)、变电站、高压电器设备制造厂和高电压试验室等部门作为雷电波测量之理想设备。

本脉冲分压器通过仪表线与示波器相连，可实现远距离清晰读数,使用安全、方便。

该系列脉冲分压器输入阻抗高，线性度好，采用特殊的屏蔽技术，减少高压对示值的影响，实现了高稳定度。

采用进口填充材料，实现了产品的高稳定性；内部采用高精度电阻和低正切值的高压电容,局部放电量小。

体积小，重量轻，便于携带。

二、技术参数：1、电压等级：AC:50 kV -2000kV(能承受110%额定值的冲击电压峰值)2、相应时间:<120ns（特殊要求可定做）3、冲击电压波形：雷电冲击全波（简称雷电全波）主要参数为峰值U P、波前时间T1、半峰值时间T2、标准雷电全波的波前时间T1=1.2us半峰值时间T2=50us。

地址：武汉市庙山大道9号东湖高新产业创新基地11栋为了获取高准确度的测试数据,建议采用美国泰克200M以上示波器,同时其它技术指标要满足高压雷电波测量的相关要求.4、精度：AC:3.0%5、绝缘介质：进口电容器油6、环境条件：温度： 0～45℃湿度：<85%RH7、分压比：1000:1或(可根据客户要求定做)8、重量:--9、体积:见下表三、使用方法1.将脉冲分压器接地端安全接地。

高压无感电阻分压器分布电容对测量精度的影响分析发表时间：2018-08-06T14:20:07.437Z 来源：《电力设备》2018年第12期作者：杨国杰袁攀张明冉冯进喜[导读] 摘要：高压无感电阻分压器在高压直流电源及高压脉冲电源中应用越来越广泛，电源系统对电压采样精度要求越来越高。

（许继电源有限公司河南许昌 461000）摘要：高压无感电阻分压器在高压直流电源及高压脉冲电源中应用越来越广泛，电源系统对电压采样精度要求越来越高。

对于高压无感电阻分压器来说，分布电容对测量精度的影响将占据主导地位。

本文通过对含有分布电容的高压无感电阻分压器建立传递函数，并对其进行数据仿真分析，提出一种提高分压器测量精度的方法。

关键词：分压器；分布电容；测量精度；传递函数引言：在高压直流电源系统及脉冲电源系统中，高压直流及高压脉冲的测量是一个关键问题。

目前高压分压器可分为电阻分压器、电容分压器及阻容分压器三种。

电阻分压器结构简单，在待测电压比较低（几万伏）的条件下，它的几何尺寸相对电容分压器等比较小，而且性能好、使用方便，所以应用相当广泛[1]。

对于幅值达几十kV的直流电压及脉冲电压测量时，特别是对于us级的电压响应时间测量时，分布电容是不可忽略的因素，频率响应难以满足要求[2-3]。

本文通过对含有分布电容的高压无感电阻分压器进行数学模型建立，对数学模型进行仿真分析，提出在无感电阻分压器低压臂并联电容的方法用以提高分压器测量精度。

一、高压无感电阻分压器数学模型建立1.高压无感电阻分压器原理高压无感电阻分压器电路图如图1所示，其中C1、C2分别为高压臂与低压臂的分布电容，V1为需测量电压，V2为测量电压。

图1 分压器等效原理图2. 高压无感电阻分压器数学模型建立从图1可以得出该电阻分压器在频域下数学模型如式1所示。

从式1可以得出，当R1C1=R2C2时，K=(R1+R2)/R2，即无感电阻分压器为纯电阻分压，我们在进行阻容匹配时应尽量向R1C1=R2C2靠拢。

常见计量校准标准及计量校准仪器广电计量杜亚俊综述 (1)无线电计量 (2)电磁计量 (4)时间频率计量 (6)长度计量 (7)力学计量 (8)热学计量 (11)理化计量 (12)光学计量 (13)声学计量 (14)综述我们拥有电子、长度、力学、热学、理化五大计量校准实验室，覆盖全国16个检测基地，建立了105项企业最高计量标准及108 项次级标准，拥有国际国内先进的精密标准装置和仪器9000 多台（套）。

目前通过中国合格评定国家认可委（CNAS）的计量校准项目546项，涵盖了无线电、时间频率、电磁、长度、力学、热学、物理化学、光学、声学等九大计量领域，能为工业企业和军工企业提供专业的仪器计量校准服务，特别在无线电、时间频率、电磁等领域的计量标准和技术处于国内领先水平。

广电计量所有计量器具均可溯源到中国计量科学研究院（NIM）和国际计量局（BIPM）的计量基准，符合ISO9000 系列标准对检验和测量设备的计量校准要求，并出具符合国家检定规程/校准规范和ISO/IEC17025标准要求的证书/报告。

我们的计量校准服务包括：●无线电计量●电磁计量●长度计量●力学计量●时间频率计量●光学计量●热学计量●理化计量●声学计量无线电计量我们配备了矢量网络分析仪、频谱分析仪、数字信号发生器、数字调制分析仪、测量接收机、示波器校准仪、通信传输分析仪、失真度测量仪、功率校准因子校准装置等国内领先水平的计量标准，测量范围覆盖了从直流到微波频段、从模拟到数字领域，可开展S参数、频谱、功率、衰减、脉冲参数失真、射频信号、电视信号、数字传输、数字调制等参数的校准。

电磁计量我们配备了标准电感、标准电容、0.005 级标准电阻、耐电压测试校验仪、5700A 多功能校准仪、8508A数字多用表、高精度电压互感器、电阻分压器、分流器、交流电桥、LCR 数字电桥、高阻计、EMC 等计量标准，直流电压的不确定度达百万分之七，标准电容的不确定度达百万分之五十，可开展交直流电压、电流、功率、直流电阻、接地电阻、交流阻抗、电磁兼容等参数的校准。

常见电动车充电器的三种电路图第一种：下图1为充电器的电路原理图，主要由整流滤波、高压开关、电压变换、恒流、恒压及充电控制等几部分组成。

其基本原理是充电器将输入的220V市电电压经整流滤波后转变为直流300V左右的电压，通过开关管的接通和关断，使300V直流电压变成受控制的交流电压，交流电压通过开关变压器耦合后在其二次侧产生低压交流电，低压交流电再通过二极管整流后输出直流充电电压。

图1开关管受电源厚模块的控制，4N35光耦合器将二次电压波动信号反馈给电源厚模块，从而达到稳定输出电压的目的。

使用开关电源作为充电器的好处是能有效的根据负载的大小控制输出，保护负载并节约能源。

第二种：以3842驱动场效应管的单管开关电源，配合358双运放来实现三阶段充电方式。

其电原理图和元件参数见图2。

图2工作原理：220v交流电经T0双向滤波抑制干扰，D1整流为脉动直流，再经C11滤波形成稳定的300V左右的直流电。

U1 为3842脉宽调制集成电路。

其5脚为电源负极，7脚为电源正极，6脚为脉冲输出直接驱动场效应管Q1(K1358) 3脚为最大电流限制，调整R25(2.5欧姆)的阻值可以调整充电器的最大电流。

2脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压。

4脚外接振荡电阻R1,和振荡电容C1。

T1为高频脉冲变压器，其作用有三个；第一是把高压脉冲将压为低压脉冲。

第二是起到隔离高压的作用，以防触电；第三是为uc3842提供工作电源。

D4为高频整流管（16A60V）C10为低压滤波电容,D5为12V稳压二极管，U3(431)为精密基准电压源，配合U2(光耦合器4N35) 起到自动调节充电器电压的作用。

调整w2(微调电阻)可以细调充电器的电压。

D10是电源指示灯。

D6为充电指示灯。

R27是电流取样电阻（0.1欧姆，5w）改变W1的阻值可以调整充电器转浮充的拐点电流（200－300 mA）通电开始时，C11上有300v左右电压。

此电压一路经T1加载到Q1。