高頻電容開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模與分析

分析了開(kāi)關(guān)電源中高頻變壓器在考慮了變壓器繞組導(dǎo)體的電位分布情況下的電場(chǎng)儲(chǔ)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(chǎng)儲(chǔ)能效應(yīng)，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(yīng)，并提出了相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，建立了新的高頻變壓器電容效應(yīng)模型，該模型可以同時(shí)兼顧變壓器的電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)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(dòng)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均驗(yàn)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(gè)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?xún)?nèi)部存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量，而C_ps1、C_ps2則代表了變壓器原邊和副邊的電場(chǎng)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(guān)鍵參數(shù)。

在開(kāi)關(guān)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(duì)該電容的測(cè)量和估算是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(cè)量變壓器原邊和副邊得到的電容在實(shí)際電路分析中存在很大的問(wèn)題，例如直接用LCR表測(cè)得的C_ps1、C_ps2，就無(wú)法考慮到變壓器繞組線(xiàn)圈上的電位分布的影響，其電容值僅由繞組相對(duì)面積和繞組間的間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，很多文獻(xiàn)稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)電容。而在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器線(xiàn)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(cè)量得到的電容參數(shù)不能準(zhǔn)確描述變壓器的實(shí)際電容效應(yīng)，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(cè)試手段和計(jì)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(guò)變壓器的電場(chǎng)存儲(chǔ)能量來(lái)計(jì)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(chǔ)電場(chǎng)能量歸算得到的能量端口有效電容，并不能反映變壓器對(duì)共模電流傳導(dǎo)的特性，因?yàn)樽儔浩鞯哪芰慷丝谟行щ娙菔且欢丝诰W(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是從電壓施加側(cè)看進(jìn)去的同一端的等效電容，它反映了變壓器存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的能力。而描述變壓器內(nèi)共模噪音電流流動(dòng)的有效電容應(yīng)該是一個(gè)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(gè)繞組間的分布電容由另一端口流出。 以反激式開(kāi)關(guān)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(duì)地分布電容經(jīng)LISN阻抗回到地。

由儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的電場(chǎng)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(duì)應(yīng)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(jì)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(lái)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(chǔ)電場(chǎng)能量的物理特性，而用形成位移電流的感應(yīng)電荷計(jì)算的共模端口有效電容為C_Q=C₀/2，表征了變壓器對(duì)共模噪音的抑制特性。兩個(gè)端口有效電容間存在差異，而且C_Q>C_E，原有的模型無(wú)法同時(shí)表達(dá)這兩種特性，為此需要對(duì)變壓器進(jìn)行重新建模。考慮了變壓器線(xiàn)圈電位分布的新模型，該模型在原有兩個(gè)集總電容的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)新的集總電容C_ps3，這3個(gè)電容參數(shù)并不是簡(jiǎn)單的把總的C_ps 分為三等分，即 C_ps1=C_ps2=C_ps3=C_ps/3，對(duì)這3個(gè)電容的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，以期可以同時(shí)表達(dá)變壓器存儲(chǔ)能量和共模噪音抑制的兩種特性。

共模噪聲測(cè)試包括2端和3端兩種接入情況：3端輸入時(shí)變壓器的共模電磁干擾信號(hào)經(jīng)副邊側(cè)母線(xiàn)直接流回地線(xiàn)，變壓器的原邊靜點(diǎn)(電壓非跳變點(diǎn))和副邊靜點(diǎn)(電壓非跳變點(diǎn))間的電位差就是噪音電流流經(jīng)LISN標(biāo)準(zhǔn)50?電阻的電位差，考慮到噪音電流為μA數(shù)量級(jí)，此電位差可以忽略不計(jì)，認(rèn)為原邊靜點(diǎn)與副邊靜點(diǎn)電位相同；而2端輸入時(shí)共模噪聲經(jīng)副邊對(duì)地分布電容C_g構(gòu)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(diǎn)電位相同為U_p/2。

CBB電容（如WIMA電容）， 云母電容[如金、銀云母電容）， 獨(dú)石電容等均屬高頻電容。

高頻電容和低頻電容的區(qū)別是由構(gòu)成它的材料和結(jié)構(gòu)決定的，不是由容量決定的。

高頻電容適合用于高頻濾波的場(chǎng)合 --- 比如電腦主板和開(kāi)關(guān)電源的二次輸出整流，低頻電容適合用于低頻濾波的場(chǎng)合 --- 比如交流電整流以后的濾波。

1、高Q值C0G系列MLCC，屬于微波陶瓷多層片式瓷介電容器；

2、采用順電體微波介質(zhì)材料；

3、具有極高的穩(wěn)定性，其電容量幾乎不受時(shí)間、交流、直流信號(hào)的影響；

4、具有極低的介質(zhì)損耗，即極高的Q值，超低的ESR。

5、適用于要求Hi-Q、超低ESR的射頻微波線(xiàn)路。

分析了高頻電容土壤水分傳感機(jī)理，建立了附加電阻高頻土壤水分?jǐn)?shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了附加電阻平行板電容傳感器檢測(cè)電路，并進(jìn)行實(shí)際土壤測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，土壤電容值與土壤的重量含水量近似成線(xiàn)性關(guān)系，在1%的土壤水分含量誤差范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)定土壤水分含量，消除了電導(dǎo)引起的測(cè)量誤差。

高頻電容附加電阻法電容土壤水分傳感器設(shè)計(jì)

1、電容土壤水分模型的構(gòu)建及測(cè)量頻率的確定

對(duì)于土壤介質(zhì)來(lái)說(shuō)，影響其介電特性的因素很多，包括電磁頻率、土壤含水量、土壤質(zhì)地等，但以電磁頻率的影響最大。當(dāng)頻率低于1MHz時(shí)，其介電常數(shù)存在一個(gè)離子電導(dǎo)而造成的介電常數(shù)分散區(qū)，表現(xiàn)為介電常數(shù)很大；只有當(dāng)電磁頻率高于1MHz時(shí)，受土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的影響較小，介電常數(shù)才較為穩(wěn)定。但是隨著頻率的增加， 許多寄生效應(yīng)隨之產(chǎn)生，如集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等。因此，測(cè)量方案選用的頻率為10MHz高頻電容土壤水分傳感器的電氣模型。

土壤模型主要由電容C_x 和電阻R_x的并聯(lián)組成。其中，L_p 表示土壤電容器2個(gè)極板的寄生電感，它隨著極板正對(duì)面積的增大而減小，所產(chǎn)生的感抗隨頻率的增大而增大；R_p和C_p分別表示極板的寄生電阻和2個(gè)極板間的寄生電容，寄生電容的容抗隨頻率的增大而減小。通常情況下，在測(cè)試頻率為10MHz時(shí)，這些寄生參量值很小。

2、附加電阻法測(cè)量土壤水分模型的建立

為了采集土壤水分含量信息，采用分壓電阻法。其中，R_x和C_x構(gòu)成了土壤的阻容并聯(lián)模型，R_a為附加電阻，R_c為串聯(lián)分壓電阻。當(dāng)開(kāi)關(guān)K的閉合時(shí)，R_a被加入到土壤模型中。通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合和開(kāi)啟，可以得到不同的輸出電壓值，經(jīng)過(guò)計(jì)算，從而確定土壤的等效電容分量，最終得到土壤的水分含量。

在附加電阻R_a接入和斷開(kāi)2種情況下，討論輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到土壤等效電容分量值，再由電容傳感器輸出特性，最終求得土壤中的水分含量。

高頻電容平行板電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到盡量不破壞土壤的結(jié)構(gòu)狀況，根據(jù)平行板電容器的原理，設(shè)計(jì)了平行板電容傳感器。為了避免外界電磁波和自身邊緣效應(yīng)的影響，采用了全屏蔽的方法，即把1對(duì)正對(duì)的平行板電容器放在封閉的立方體金屬殼體內(nèi)部，屏蔽罩接地。其中2個(gè)金屬極板的尺寸均為80mm×80mm，極板間距為80mm。

由于平行板電容器電力線(xiàn)有邊緣效應(yīng)，所以在測(cè)試土壤水分時(shí)，用取土器取傳感器容積大小的土壤，讓土樣完全充滿(mǎn)槽體，保證土樣全部處于平行板電容器的平行電力線(xiàn)均勻電場(chǎng)中，以減小傳感器結(jié)構(gòu)造成的誤差。

高頻電容附加電阻法測(cè)試土壤水分含量的試驗(yàn)及分析

根據(jù)附加電阻法原理，采用實(shí)際的電容和電阻模擬土壤介電特性，在電阻值固定的情況下，改變電容值，應(yīng)用設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行檢測(cè)，其中，C_x為模擬土壤的電容值，u_o1，u_o2分別為R_a連接和斷開(kāi)時(shí)的輸出信號(hào)電壓，C_x為根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的土壤模型電容分量值。在該試驗(yàn)中，模擬土壤的電阻值R_x 為100Ω、串聯(lián)分壓電阻R_c采用99Ω， 附加電阻 R_a為99Ω，輸入信號(hào)電壓 ( 頻率為10MHz)為1380mV。 2100433B

高頻電容式(50MHz) 　顯示編號(hào) 顯示品種 測(cè)定品種 測(cè)定范圍 標(biāo)準(zhǔn)誤差 　1 Wheat 小麥 6.0-40.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　2 Corn 玉米 6.0-40.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　3 Soybean 大豆 6.0-30.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　4 Barley 大麥 6.0-40.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　5 Mungbean 綠豆 6.0-30.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　6 Millet 小麥 6.0-30.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　7 Sorghum 高粱 6.0-30.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　8 Canola 油菜子 6.0-30.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　9 Azukibean 紅小豆 6.0-30.0% 0.5%(6.0-20.0%) 　10 peanut 花生米 6.0-15.0% 0.5%(4.0-15.0%) 　11 Rice 大米 9.0-20.0% 0.5%(9.0-20.0%) 　12 Paddy 稻子 8.0-35.0% 0.5%(8.0-20.0%)2100433B