串聯阻容分壓器頻率特性仿真

朱金龍 張大偉 李 政

（1．沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽110159；2．成都美創醫療科技股份有限公司，四川 成都610051）

0 引言

近年來，隨著高電壓與脈沖功率技術在受控核聚變、自由粒子激光等高科技領域［1］及一些如醫療等民用工業的運用，精確測量脈沖高電壓對改善設備性能、提高工作效率尤為重要。對高壓脈沖的測量一般采用分壓器進行。

常用分壓器主要有電阻分壓器、電容分壓器、阻容分壓器［2］。電阻分壓器一般用于低頻高壓脈沖測量；電容分壓器利用電容對交流信號的容抗進行分壓，一般用于高頻測量電路。但在高頻脈沖作用下，分壓器因為自身寄生參數而存在高頻振蕩，限制了其測量太高電壓幅值的雷電沖擊電壓［3］。阻容分壓器采用電容、電阻串聯形式進行分壓，阻尼部分高頻振蕩，其綜合了電阻分壓器與電容分壓器的優點。但是阻容分壓器也存在自身的缺點：RC串聯結構較為復雜，調試較困難。

本文利用串聯諧振原理計算電容自身串聯電阻并將其作為阻容電阻的一部分，通過Spice仿真分析，論證了相同元件條件下串聯阻容分壓器頻率特性優于電容分壓器。

1 理論分析

1．1 分壓原理

串聯阻容分壓器的原理如圖1所示，R1為高壓臂電阻，C1為高壓臂電容，R2為低壓臂電阻，C2為低壓臂電容，Z0為傳輸電纜波阻抗，R為匹配電阻。

圖1 串聯阻容分壓器原理示意圖

分壓器分壓比α為：

1．2 電容串聯電阻測定

電容等效模型為RLC電路，其中Rs為串聯電阻，Ls為串聯電感。利用串聯諧振原理，當輸入信號頻率f達到電路諧振頻率時，LsC相當于短路，回路呈現純阻性，得到電容串聯電阻Rs。將Rs作為阻容分壓器電阻一部分。

2 仿真測定

2．1 阻容分壓器頻率特性仿真

高壓臂電容采用10pF／30kV瓷片電容，低壓臂電容采用10個3．3nF云母電容并聯的方式。利用串聯諧振原理測得低壓臂電容串聯電阻值Rs為0．13Ω（分布參數）。根據式（3），把Rs與阻容電阻本身合并為集中參數，設定仿真參數。利用LTspice交流分析功能分析分壓器頻率特性，結果如圖2所示。

圖2 阻容分壓器頻率特性

按照3dB衰減原則，由圖2可見，頻率范圍在5Hz～3．6MHz，中間頻率基本維持在－70．3dB。當低于5Hz或超過3．6MHz時，幅值變化超過3dB，分壓器不能正常工作。

2．2 電容分壓器頻率特性仿真

保持阻容分壓器電容大小及電容寄生參數設定值不變，仿真結果如圖3所示。

圖3 電容分壓器頻率特性

對比圖2和圖3可見，在中間頻率段，兩者幅值幾乎相同，為－70．3dB；高頻段電容分壓器幅值在－73．3dB處的頻率為974．6kHz，遠小于阻容分壓器，即采用阻容分壓式結構可以獲得比電容分壓器更好的高頻特性。

3 結語

把分壓器串聯電阻融入阻容分壓器的阻尼電阻，計算與仿真表明阻容分壓器的頻率特性高于相同元件參數條件下的電容分壓器。但元件還存在串聯電感，分壓輸出存在高頻振蕩，需要進一步優化。

［1］劉金亮．一種脈沖高壓用電阻分壓器［J］．高電壓技術，1996，22（4）：65－67．

［2］張龍，魏光輝，劉存禮．10kV脈沖標準分壓器的設計與研究［J］．宇航計測技術，2008，28（2）：54－56．

［3］呂瑋，吳廣寧，周利軍，等．阻容型高壓沖擊分壓器參數設定及仿真［J］．儀表技術，2010（5）：54－56．

［4］薛曄．阻容分壓器的誤差分析一例［J］．高壓電器，1998（1）：58－62．