無源器件高頻特性研究

王穎麗，白巖峰，楊霞（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400）

無源器件高頻特性研究

王穎麗，白巖峰，楊霞
（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300400）

電阻、電容、電感是電力電子裝置中最常見的無源器件。但是在高頻情況下，無源器件的高頻特性與其理想特性有所不同。提出通過WK6500B精密阻抗分析儀對其進(jìn)行測量來研究無源器件的高頻特性。

電阻;電容;電感; WK6500B;無源器件;高頻特性

電力電子領(lǐng)域開關(guān)頻率持續(xù)提高，導(dǎo)致線路中的電壓和電流變化率的不斷增大，以至于在高頻情況下，電阻不再是理想電阻，電感不再是理想電感，電容也不再是理想電容，都帶有高頻寄生參數(shù)。這些高頻寄生參數(shù)會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在進(jìn)行電路設(shè)計時要充分考慮到她的這些高頻寄生參數(shù)。從各國應(yīng)用無源器件的情況來看，除了電站、石油、食品等行業(yè)的過程測量和控制外，還廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域的五大應(yīng)用系統(tǒng)：鹵素測量、過濾測量、色度和濃度測量、冷凝器和泠凝水測量、相位分離。

本文選取典型的無源器件，通過WK6500B精密阻抗分析儀對其進(jìn)行精密測量來研究無源器件的高頻寄生參數(shù)。通過測量得出的幅頻特性曲線來研究不同的無源器件的高頻特性，本文將對其進(jìn)行展開介紹。

1電阻元件高頻特性

電阻在高頻情況下，就會有雜散參數(shù)的存在，不單單是只有電阻特性，還會存在電抗特性（寄生電感、寄生電容）。寄生電感、寄生電容參數(shù)會隨著電阻的材料屬性而變化。實際電阻的高頻特性如圖1所示。

圖1 實際電阻高頻特性

從圖1（a）圖可知，Cpar、Llead分別為實際電阻的寄生電容和寄生電感。當(dāng)直流通過實際電阻時，實際電阻呈現(xiàn)阻性；當(dāng)頻率慢慢增大時，當(dāng)頻率在f1與f2之間時，寄生電容起主要作用；當(dāng)頻率大于f2時，寄生電感起主要作用。轉(zhuǎn)折頻率為f1與f2。

本文選用阻值20Ω的繞線式電阻，利用WK6500B精密阻抗分析儀對其進(jìn)行測量，電阻的幅相頻特性曲線如2所示。

從圖2可以讀出f1與f2兩個轉(zhuǎn)折頻率，電阻在小于1MHz之前基本是呈現(xiàn)純電阻的特性；在1MHz與15MHz之間電阻呈現(xiàn)電容特性；在頻率高于15MHz之后電阻基本上呈現(xiàn)感性；基本上與上述分析一致。

圖2 電阻幅相頻特性曲線

2電容元件高頻特性

在電力電子系統(tǒng)中，電容器的主要作用是去耦、儲能、隔直平波等，所以電容器也是電力電子電路中常用的元件[1]。實際電容在高頻情況下，就會有雜散參數(shù)的存在（寄生電感、寄生電阻）。寄生電感、寄生電阻參數(shù)會隨著電容的材料屬性而變化。實際電容的高頻特性如圖3所示。

圖3 實際電容高頻特性

從圖3（a）圖可知，Rpar、Llead分別為實際電容的寄生電阻和寄生電感。當(dāng)直流通過實際的電容時，實際電容相當(dāng)于開路。當(dāng)頻率慢慢增大時，寄生電阻起主要作用；在頻率大于f0后，寄生電感起主要作用。電容的有效工作頻率范圍在諧振頻率f0以下。轉(zhuǎn)折頻率為f0。

本文選用的是電容值為4700uF的鋁電解電容[2]。利用精密阻抗分析儀對其進(jìn)行測量，電容的幅相頻特性曲線如圖4所示。

從圖4可以讀出串聯(lián)諧振頻率f0[3]，電容在小于10KHz之前基本是呈現(xiàn)純電容的特性；隨著頻率慢慢增大，實際電容開始呈現(xiàn)感性，轉(zhuǎn)折頻率為10KHz基本上與上述分析一致。

3電感元件高頻特性

電感是PWM整流系統(tǒng)中常用的元件，但是在實際應(yīng)用中電感器也是非理想的[4]。實際電感在高頻情況下，會存在寄生電容、寄生電阻參數(shù)。寄生電容、寄生電阻參數(shù)會隨著電感的材料屬性而變化。實際電感的高頻特性如圖5所示。

圖4 電容幅相頻特性曲線

圖5 實際電感高頻特性

從圖5（a）圖可知，Rpar、Cpar分別為實際電感的寄生電阻和寄生電容。當(dāng)直流通過實際電感時，實際電感呈現(xiàn)阻性，高頻情況下可忽略不計。當(dāng)頻率在f1與f2之間時，實際電感呈現(xiàn)電感特性；當(dāng)頻率大于f2時，實際電感呈現(xiàn)電容特性。實際電感的轉(zhuǎn)折頻率f1與f2之間的頻率范圍為有效濾波范圍。轉(zhuǎn)折頻率為f1與f2。

本文用電感值為3mH的磁性磁芯的電感[5]。利用WK6500B精密阻抗分析儀對其進(jìn)行測量，電感的阻抗特性曲線如圖6所示。

從圖6可以讀出f1與f2兩個轉(zhuǎn)折頻率，電感在小于1KHz之前基本是呈現(xiàn)純電阻的特性；在1KHz與500KHz之間電感呈現(xiàn)電感特性；在頻率高于500KHz之后電感基本上呈現(xiàn)容性；基本上與上述分析一致。

綜上所述，無源器件電阻、電容、電感在高頻情況下存在寄生參數(shù)，通過WK6500B精密阻抗分析儀對其進(jìn)行測量，所得結(jié)論與分析一致，充分驗證了在高頻情況下，這些元件都不是純電阻、純電感、純電容而是會有寄生參數(shù)的存在，使電阻、電容、電感的阻抗特性發(fā)生變化，綜合考慮無源器件的高頻特性，可以更好的改善化工領(lǐng)域的五大應(yīng)用系統(tǒng)。

圖6 電感阻抗特性曲線

［1］李守智,張偉.電力電子裝置EMI分析的若干問題分析[M].西安理工大學(xué),2006.

［2］梁斌,魏克新.功率變換器主電路近場干擾預(yù)測研究[J].華東電力, 2011.39(2):0233-0238.

［3］魏克新,張海梅.電源線傳導(dǎo)電磁干擾測試方法的研究[J].華東電力,2010.38(9):1339-1342.

［4］段瑞霞,魏克新.基于三相整流電路的電阻寄生參數(shù)計算及仿真. [J]華東電力,2011. 39(7):1093-1096.

［5］陳才,裴雪軍.基于開關(guān)瞬態(tài)過程分析的大容量變換器雜散參數(shù)抽取方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2011.31(21):40-47.

［6］Annu,Appl,Power Electron Conf, Expo ,Anaheim, CA, 1998, pp 497-503.

·信息·

天津渤化南港基地6月開建 天化、大化將遷此地

據(jù)悉，天津市濱海新區(qū)重化工項目搬遷事宜正在穩(wěn)步進(jìn)行，已有多家企業(yè)制訂出搬往南港工業(yè)區(qū)內(nèi)的方案。其中，渤化南港基地預(yù)計今年6月開工建設(shè)。

目前，濱海新區(qū)已對583家危化企業(yè)進(jìn)行了排查。符合條件危化品企業(yè)將搬至南港，安全整治向常態(tài)管理轉(zhuǎn)變。到今年底有望實現(xiàn)對危化企業(yè)24h視頻監(jiān)控、安全生產(chǎn)應(yīng)急指揮中心通聯(lián)運(yùn)用，到明年6月底實現(xiàn)對危化品企業(yè)在線監(jiān)測和預(yù)警。

南港工業(yè)區(qū)位于濱海新區(qū)南部，規(guī)劃面積200km2，其定位為建設(shè)世界級重化產(chǎn)業(yè)基地和港口綜合功能區(qū)。按照規(guī)劃，南港工業(yè)區(qū)用地全部由圍海造地而成，10km范圍內(nèi)不建生活區(qū)。

其中，渤化南港基地預(yù)計2018年主體裝置竣工，2019年上半年投料試車。該基地項目占地3平方公里、總投資294億元。渤海化工集團(tuán)已制訂了企業(yè)搬遷安全停產(chǎn)方案、無害化處置方案、安全搬遷方案，確保搬遷全過程安全風(fēng)險可控。天津化工廠和大沽化工廠將于今年開始搬入基地。

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.021

TP319

C

1008-1267（2016）02-0059-04

2015-12-10