電容開關原理

分析了開關電源中高頻變壓器在考慮了變壓器繞組導體的電位分布情況下的電場儲能特性和共模電磁干擾發(fā)射特性。指出采用一端口入端電容描述電場儲能效應，而采用二端口轉(zhuǎn)移阻抗電容描述共模電磁干擾發(fā)射效應，并提出了相應的參數(shù)計算方法。在此基礎上，建立了新的高頻變壓器電容效應模型，該模型可以同時兼顧變壓器的電場能量儲存特性和共模噪音抑制特性，能合理地揭示變壓器內(nèi)共模噪音電流的流動機理。實驗和仿真結果均驗證了理論分析和模型。

高頻電容現(xiàn)有變壓器模型介紹

普遍使用的變壓器模型，該模型含有3個集總電容，包括原邊繞組電容C_p，副邊繞組雜散電容C_s，原邊和副邊繞組間的雜散電容C_ps1、C_ps2。其中C_p和C_s分別反映了變壓器內(nèi)原邊和副邊各自內(nèi)部存儲的電場能量，而C_ps1、C_ps2則代表了變壓器原邊和副邊的電場耦合能力，是影響共模電流大小的重要因素之一，是電磁干擾分析中的關鍵參數(shù)。

在開關電源的電磁干擾分析中，變壓器原邊和副邊間的電容C_ps1、C_ps2是共模干擾噪音的重要通道，對該電容的測量和估算是準確預測共模噪音并采取有效抑制措施的前提條件。按照以往直接測量變壓器原邊和副邊得到的電容在實際電路分析中存在很大的問題，例如直接用LCR表測得的C_ps1、C_ps2，就無法考慮到變壓器繞組線圈上的電位分布的影響，其電容值僅由繞組相對面積和繞組間的間距等結構參數(shù)決定，很多文獻稱之為結構電容。而在實際應用中，變壓器線圈各匝間電位分布不是固定值而是有一定的電位梯度分布，因此在電路分析中采用上述方法測量得到的電容參數(shù)不能準確描述變壓器的實際電容效應，需要采用能夠反映變壓器繞組電位分布的變壓器容性參數(shù)測試手段和計算方法。

在考慮變壓器繞組各匝匝間存在不同電位分布的情況下，變壓器的繞組間電容一般通過變壓器的電場存儲能量來計算，得到變壓器的能量端口有效電容。

高頻電容共模端口有效電容

變壓器的分布電容是共模電流傳輸通路的重要參數(shù)，用變壓器存儲電場能量歸算得到的能量端口有效電容，并不能反映變壓器對共模電流傳導的特性，因為變壓器的能量端口有效電容是一端口網(wǎng)絡參數(shù)，是從電壓施加側看進去的同一端的等效電容，它反映了變壓器存儲電場能量的能力。而描述變壓器內(nèi)共模噪音電流流動的有效電容應該是一個二端口網(wǎng)路參數(shù)，即噪音源施加于變壓器的一端口，而共模噪音電流是經(jīng)兩個繞組間的分布電容由另一端口流出。 以反激式開關電源為例解釋了其中的差異，原邊噪音源產(chǎn)生的共模噪音經(jīng)變壓器繞組間電容耦合到變壓器的副邊，流入副邊由對地分布電容經(jīng)LISN阻抗回到地。

由儲存能量得到的能量端口有效電容，該等效電容是將原邊和副邊間的存儲能量歸算至原邊電位U_p，歸算得到的能量端口有效電容反映了原邊和副邊之間所存儲的電場能量，是原邊施加電位U_p的參數(shù)C_E=f(U_p)，是一端口的阻抗參數(shù)。則體現(xiàn)了原邊所施加電壓U_p的情況下，共模電流由變壓器副邊流出，其對應的有效電容體現(xiàn)了變壓器一端口施加電壓，另一端口出現(xiàn)的共模電流大小的二端口轉(zhuǎn)移阻抗的概念C_Q=f(Up， i_CM)。明顯的基于能量計算得到的描述一端口的有效電容并不等同于描述共模噪音的二端口有效轉(zhuǎn)移阻抗電容，不適合用來分析共模噪音電流。

高頻電容變壓器電容特性建模

能量端口有效電容和共模有效電容均為折算到原邊電壓U_p的有效電容，其中能量端口有效電容為C_E=C₀/3，表征了變壓器存儲電場能量的物理特性，而用形成位移電流的感應電荷計算的共模端口有效電容為C_Q=C₀/2，表征了變壓器對共模噪音的抑制特性。兩個端口有效電容間存在差異，而且C_Q>C_E，原有的模型無法同時表達這兩種特性，為此需要對變壓器進行重新建模?？紤]了變壓器線圈電位分布的新模型，該模型在原有兩個集總電容的基礎上增加了一個新的集總電容C_ps3，這3個電容參數(shù)并不是簡單的把總的C_ps 分為三等分，即 C_ps1=C_ps2=C_ps3=C_ps/3，對這3個電容的參數(shù)進行分析計算，以期可以同時表達變壓器存儲能量和共模噪音抑制的兩種特性。

共模噪聲測試包括2端和3端兩種接入情況：3端輸入時變壓器的共模電磁干擾信號經(jīng)副邊側母線直接流回地線，變壓器的原邊靜點(電壓非跳變點)和副邊靜點(電壓非跳變點)間的電位差就是噪音電流流經(jīng)LISN標準50?電阻的電位差，考慮到噪音電流為μA數(shù)量級，此電位差可以忽略不計，認為原邊靜點與副邊靜點電位相同；而2端輸入時共模噪聲經(jīng)副邊對地分布電容C_g構成回路，此電容一般很小，因此副邊噪聲電位可以看作與原邊的中點電位相同為U_p/2。

電容開關可對塊狀、顆粒狀、粉末狀及液態(tài)物料料倉的料位及液位進行控制或上、下限位報警，適用于高溫、高壓、強腐蝕、多粉塵、超細顆粒的惡劣環(huán)境；在冶金、石油、化工、輕工、煤炭、水泥、糧食等行業(yè)應用廣泛。