王文涛;王世山;龚敏
【摘 要】集成型电磁干扰滤波器是抑制电力电子传导电磁干扰的一种有效手段，其结构中多采用高介电常数材料。为预测高介电常数材料在电力电子运行环境下的性能，需要完成其在该环境下的测试。因此提出了一种可用于阻抗测试仪器的直流偏置下电容测试电路，可以测量高直流偏置电压下的电容阻抗。根据电容自放电时间常数的大小，分成两种工作模式，可以完成材料在电力电子应用环境下的介电常数性能测试。以此测试电路为工具对 CaCu3Ti4O12陶瓷材料的介电常数特性进行了测试。通过建立电阻、电感和电容的高频模型，利用解析法提取其寄生参数，并将其用于测试数据的处理。通过一个实例测试，对测试系统的有效性进行了验证。%Integrated EMI filters, in which the high permittivity material is used, play an important role in restraining conducted EMI of the power electronic system. The characteristics of the high permittivity material, under the operating voltage in circuits, are very important. In this paper, a system is proposed to measure the impedance of a capacitor in the high DC voltage condition. According to the different discharge time consta nts of capacitors, the system is divided into two modes. In addition, the CaCu3Ti4O12 ceramic has been measured by the system, as well as the high-frequency models of resistors, conductors and capacitors are established. The parasitic parameters of the models are extracted by an analytical approach, which are used on the data processing. A test verifies the measure system.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2016(031)014
【总页数】10页(P112-121)
【关键词】直流偏置;CaCu3Ti4O12;介电常数;高频模型;寄生参数
【作 者】王文涛;王世山;龚敏
【作者单位】江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京航空航天大学 南京 210016;江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京航空航天大学 南京 210016;江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京航空航天大学 南京 210016
【正文语种】中 文
【中图分类】TM133
电力电子变换器工作频率的提高、电磁干扰（Electromagnetic Interference， EMI）与电磁兼容（Electromagnetic Compatibility， EMC）问题愈来愈突出以及EMI滤波器作为抑制传导EMI的有效手段，均得到了国内外学者的广泛研究［1-3］。传统分立元件构成的EMI滤波器寄生参数大，寄生参数消除技术复杂。近年来，为了克服传统分立元件构成的EMI滤波器的缺点，集成EMI滤波器被提出来，并先后出现了平面型、柔性PCB结构型和母线型等结构，具有寄生参数小、功率密度高等优点［4，5］。在集成型EMI滤波器中，电容是一个重要组成部分，但是寻制作此类电容的高介电常数材料是其中的一个难点［5］。为筛选适用于电力电子的高介电常数材料，对其进行电磁特性测试是必不可少的。
以陶瓷为介质的商业电容，在直流偏置电压下，电容值的跌落百分比通常需要在其产品手册中进行定量说明。应用于功率变换器直流母线上（如光伏逆变等领域）的集成型EMI滤波器，差、共模电容在工作状态时加载有较高的直流母线电压［6-9］，其差、共模电容通常采用铁电陶瓷材料构成，由于铁电陶瓷材料的介电常数通常随其所处偏置电场强度的增
加而有一定程度变化［10，11］，导致电容值的变化对集成型 EMI滤波器的滤波效果产生了一定的影响。为了测定电容值在直流偏压下的变化量，需要进行相关的测试。
目前，在不同电场下材料的介电常数特性的测试方法有很多种。不同的方法，具有不同的电压和频率测试范围，各有所长。比如，采用带直流偏置电源的阻抗测试仪器（例如LCR阻抗测试仪）进行直接测量，该方法可用于低直流偏置下的小信号测试，测试频率范围宽，但其仅适用于低直流偏置电压［12］；串联电桥测试法，可进行高直流偏置下的小信号测试，测试频率较低（0.05～10kHz），该方法并未解决直流电源内阻对结果的影响和电容充电电流对仪器的冲击问题，导致测试准确度较低且易引起测试仪器故障［12］；RCD 缓冲电路法［13］，通过记录电容充放电过程的电流、电压波形来计算电容的数值，这种方法可进行数千伏的大信号测试，但工作频率只有几赫兹，且测试波形为三角波，不能准确描述正弦波下的特征［14-16］。
因此，本文以EMI滤波器对材料测试的需求为应用背景，介绍了一种新型的巨介电常数材料，并提出一种高直流偏置下的小信号测试方法，以此方法设计应用于阻抗测试仪器的直流偏置下电容测试电路。对该电路中电子元件，建立寄生参数模型，分别利用解析法和仪器测试法提取其寄生参数，利用该模型对测试结果进行求解与修正。
1.1 高介电常数材料
目前，高介电常数材料主要分为一元金属氧化物和多元氧化物两类，其中一部分材料因为含铅而被淘汰；另一部分因为介电常数会随着温度的变化而发生剧烈变化，无法在电气领域中应用［17，18］。2000年，钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12，CCTO）陶瓷材料被发现具有极高的介电常数［19，20］，温度稳定性高，介电损耗低，且不含铅，此后得到国内外学者的广泛研究。目前，已研究出可以合成介电常数在10 000～30 000的CCTO材料［21-23］。这些特性正是制作集成型EMI滤波器中电容所需要的。
合成CCTO的方法主要有固相法、熔盐法和半化学法［18］，其中固相法因其填充性好、成本低以及设备和工艺简单而被广泛采用。本文以纯度均为99%的CaCO3、CuO和TiO2粉末为原料，按化学计量比1∶3∶4混合［21］，经研磨、烧结和粉碎等工序，制成 CCTO原料，在 4MPa的压强下，制成厚度3mm，直径 13mm的圆片，于 1 100℃条件下烧制4h制作成CCTO陶瓷样品，并在两面镀银，焊接电极制作成平行平板电容器如图1所示。
经国内外相关文献检索，尚未发现有关 CCTO在直流偏压下特性的研究成果公布。本文以该种方法合成的CCTO为研究对象，并对其电磁特性进行相应测试。
1.2 直流偏置下电容测试电路
如前所述，带直流偏置电源的阻抗测试仪所能施加的直流偏置电压比较低，本文设计一种加载在阻抗测试仪器输入端的辅助电路，使得阻抗测试仪器可以用于强直流偏置电压下的测试。
本文以 Agilent 4395A阻抗分析仪为例进行该辅助电路的设计。经查阅Agilent 4395A阻抗分析仪的相关技术资料得知，阻抗测试仪器的测试原理如图2a所示。阻抗分析仪中，一个标准电阻与被测设备（Device Under Test， DUT）串联，通过测试标准电阻R0与DUT上的电压，根据欧姆定律算得DUT的阻抗。阻抗分析仪输出的测试信号在DUT上的电压为0.71～1.26V；仪器不具备高压直流偏置下的测试能力，若将高压直流信号直接施加在DUT上，则会影响测试准确度和对仪器本身构成损害。加载到阻抗分析仪上的直流信号被限制在足够小时，仪器可以正常工作。经测试，将 0.01mV的直流电压加载到Agilent 4395A阻抗分析仪的测试端，仪器工作正常。
为解决上述困难，设计了此直流偏置测试电路，如图2b所示。该电路采用电容来隔离直流电压从而避免高直流偏置电压直接加载到阻抗测试仪器的测试端；采用开关实现充电模态
和测试模态的切换，避免初始阶段隔直电容的充电电流加载到阻抗测试仪器中。
图 2b中，Cx为待测电容；Ca、Cb为等值隔直电容；UDC为可调直流稳压电源，用于提供直流偏置电压；开关S1、S2用于实现电路的不同工作模式。从测试准确度和实际可行性出发，根据待测电容Cx自放电时间常数的大小分别采用两种测试模式，下面将分别进行讨论。
1.2.1 待测电容的自放电时间常数较大时
若待测电容Cx的自放电时间常数较大，在阻抗测试仪器的测试过程中（通常测试时间t约为30min），该待测电容上预先充入的电压不因电容自电阻放电而明显下降（电容自放电的时间常数τ＞＞t），则在测试过程中视其电压维持不变。
此测试过程可分解为电容充电过程和阻抗测试过程。首先 S2打向短路侧，闭合 S1进入电容充电过程，此时电路结构如图 3a所示。此时，Cx上电压为UDC；隔直电容Ca、Cb上电压均为UDC/2。
充电结束后，断开S1，然后S2打向 A2B侧，进入阻抗测试过程，此时电路结构如图3b所
示。在阻抗测试过程中，阻抗分析仪测出的阻抗为Zm。
理想情况下，电容Cx、Ca和Cb的自电阻为无穷大，则三电容上的直流电压维持不变，因而阻抗分析仪测试端口 p1p2上直流偏压为零（UR=0）；实际情况下，各电容的自电阻有限且各有差异，各自独立放电电流 iCa、iCb和 iCx各不相同，这将产生一个回路电流i，关系为
由于本模式的前提是待测电容 Cx的自电阻极大，选择自电阻极大的电容Ca、Cb，则三电容各自独立放电电流iCa、iCb和iCx极小，进而相互间电流之差极小，可知回路电流 i极小；在短暂的测试期间，各电容上电压Ua、Ub和Ux变化极小（视为不变），可知UR极小。电阻R与阻抗分析仪的输出端并联，起分流作用。
此模式下等效测试电路如图 4所示，Za、Zb、ZR分别为电容 Ca、Cb和电阻 R的阻抗，在电路参数选定后均为已知量；Zx为待测电容的阻抗。通过式（2）计算得到待测电容的阻抗Zx，进而求得Cx。
1.2.2 待测电容的自放电时间常数较小时
若待测电容Cx的自放电时间常数较小，在阻抗测试仪器的测试过程中，该待测电容上预先充入的电压因电容自电阻放电而明显下降，则不可视为待测电容的电压维持不变，且此时回路电流 i较大。可能导致损坏阻抗测试仪器的严重后果，因而不能再用图3所示方法进行测试。此时，需要在测试过程中维持开关S1为闭合状态，并串接一个电感L，其提供直流流通路径和阻抗测试过程中直流电压源侧的阻抗。
此模式在充电过程结束后，需要维持开关 S1为闭合态，阻抗测试过程的电路结构如图5所示。
此模式下等效电路模型如图6所示，ZL为直流电压源侧的阻抗（直流电压源UDC内阻与电感L的阻抗之和）。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议