串联阻容分压器频率特性仿真

朱金龙1张大伟1李政2

（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：将电容自身等效串联电阻纳入分压器阻容参数，按集中参数计算方式计算论证了阻容分压器分压原理，通过仿真对比电容分压器与阻容分压器输出频率特性，得出了相同条件下阻容分压器的频率特性优于电容分压器的结论。

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关键词 ：阻容分压器；频率特性；串联电阻

0引言

近年来，随着高电压与脉冲功率技术在受控核聚变、自由粒子激光等高科技领域［1］及一些如医疗等民用工业的运用，精确测量脉冲高电压对改善设备性能、提高工作效率尤为重要。对高压脉冲的测量一般采用分压器进行。

常用分压器主要有电阻分压器、电容分压器、阻容分压器［2］。电阻分压器一般用于低频高压脉冲测量；电容分压器利用电容对交流信号的容抗进行分压，一般用于高频测量电路。但在高频脉冲作用下，分压器因为自身寄生参数而存在高频振荡，限制了其测量太高电压幅值的雷电冲击电压［3］。阻容分压器采用电容、电阻串联形式进行分压，阻尼部分高频振荡，其综合了电阻分压器与电容分压器的优点。但是阻容分压器也存在自身的缺点：RC串联结构较为复杂，调试较困难。

本文利用串联谐振原理计算电容自身串联电阻并将其作为阻容电阻的一部分，通过Spice仿真分析，论证了相同元件条件下串联阻容分压器频率特性优于电容分压器。

1理论分析

1.1分压原理

串联阻容分压器的原理如图1所示，R1为高压臂电阻，C1为高压臂电容，R2为低压臂电阻，C2为低压臂电容，Z0为传输电缆波阻抗，R为匹配电阻。

当串联阻容分压器高低压臂电阻、电容满足式（3） 时，分压比与频率基本无关［4］。因而串联阻容分压器低频与高频性能良好，可以具有较宽的频率范围，不易产生高频振荡。

1.2电容串联电阻测定

电容等效模型为RLC电路，其中Rs为串联电阻，Ls为串联电感。利用串联谐振原理，当输入信号频率f达到电路谐振频率时，LsC相当于短路，回路呈现纯阻性，得到电容串联电阻Rs。将Rs作为阻容分压器电阻一部分。

2仿真测定

2.1阻容分压器频率特性仿真

高压臂电容采用10 pF/30 kV瓷片电容，低压臂电容采用10个3.3 nF云母电容并联的方式。利用串联谐振原理测得低压臂电容串联电阻值Rs为0.13 Ω（分布参数）。根据式（3），把Rs与阻容电阻本身合并为集中参数，设定仿真参数。利用LTspice交流分析功能分析分压器频率特性，结果如图2所示。

按照3 dB衰减原则，由图2可见，频率范围在5 Hz～3.6 MHz，中间频率基本维持在-70.3 dB。当低于5 Hz或超过3.6 MHz时，幅值变化超过3 dB，分压器不能正常工作。

2.2电容分压器频率特性仿真

保持阻容分压器电容大小及电容寄生参数设定值不变，仿真结果如图3所示。

对比图2和图3可见，在中间频率段，两者幅值几乎相同，为-70.3 dB；高频段电容分压器幅值在-73.3 dB处的频率为974.6 kHz，远小于阻容分压器，即采用阻容分压式结构可以获得比电容分压器更好的高频特性。

3结语

把分压器串联电阻融入阻容分压器的阻尼电阻，计算与仿真表明阻容分压器的频率特性高于相同元件参数条件下的电容分压器。但元件还存在串联电感，分压输出存在高频振荡，需要进一步优化。

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参考文献］

［1］刘金亮.一种脉冲高压用电阻分压器［J］.高电压技术，1996，22（4）：65-67.

［2］张龙，魏光辉，刘存礼.10 kV脉冲标准分压器的设计与研究［J］.宇航计测技术，2008，28（2）：54-56.

［3］吕玮，吴广宁，周利军，等.阻容型高压冲击分压器参数设定及仿真［J］.仪表技术，2010（5）：54-56.

［4］薛晔.阻容分压器的误差分析一例［J］.高压电器，1998（1）：58-62.

收稿日期：2015-08-27

作者简介：朱金龙（1989—），男，江苏如皋人，在读硕士研究生，研究方向：高压脉冲功率技术。