CN108802461A - 一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，包括高压分压器B，可控开关A；所述高压分压器包括高压臂电阻R1、低压臂电阻R2；所述可控开关A的一端设有第一接线端S1，可控开关A的另一端与高压分压器B的高压臂R1端相连；所述高压臂电阻R1与低压臂电阻R2一端串联，所述低压臂电阻R2另一端设有第二接线端S2；所述高压臂电阻R1和低压臂电阻R2之间设有第三接线端S3；所述可控开关A和高压分压器B分别采用绝缘材料壳体进行封装；本发明实现了高压与瞬态过程全程的测量，采用低阻值、低功率的分压器，使得对阶跃信号的测试具有更大的带宽，保证了被测信号的完整性。
Description
技术领域
本发明属于高压测量领域，特别是一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置。
背景技术
涉及到高电压测试一般都要应用分压器。目前广泛使用的高压分压器中，包括测量稳态高压的直流分压器和测量脉冲高压的脉冲分压器，以及市场上常见的FRC交直流两用分压器，FRC分压器频响范围只能满足工频到数百赫兹的低频信号测试，其高压臂阻值很大，对kHz级以上的高频信号测试难以满足要求。对于稳态高压的测量，需要分压器高压臂电阻值很大，一般为兆欧姆以上级别，目的是为了减少对主电路分流的影响和分压器上的电流损耗，降低高压臂电阻的功率需求；对高压瞬变信号而言(尤其是单次脉冲和阶跃信号)，被测信号的频率并非固定，频谱非常丰富，要求高压臂阻值及体积尽可能小，从而减小分压器的分布参数(分布电容、分布电感)，提高分压器的频率响应速度及带宽。当同时需要对静态高压和瞬态过程进行测试时，则上述两种需要相互矛盾，因而给测试带来困难。目前多数取得专利的高压分压器结构设计中，普遍采用分压器电阻与补偿电容相结合的办法，增加了分压器的复杂性与信号的失真。
中国专利CN101520471A公开了一种高压分压器，可同时对直流与脉冲高压信号进行测量，该发明对分压器低压臂进行了电容补偿，而高压臂的分布电容则难以直接通过测试获取，该装置利用软件仿真进行了估算，补偿电容的大小不够精准。此外额外增加采用补偿电容也会给电路带来不稳定性。该发明给出了一个1kHz-30kHz周期信号的测试实例，并未给出该分压器结构对频谱丰富的阶跃高压信号的测试结果，而对于陡降的高压阶跃信号而言，该分压器的高压臂的电阻阻值为兆欧级别，而采用数十兆欧以上阻值的分压器所得到的波形将难以实现信号的保真。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，以解决现有技术中无法同时对静态高压和瞬态过程进行测试，且现有的分压器的结构复杂、测试信号失真。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，包括高压分压器B，所述高压分压器包括高压臂电阻R1、低压臂电阻R2；还包括可控开关A，所述可控开关A的一端设有第一接线端S1，可控开关A的另一端与高压分压器B的高压臂R1端相连；所述高压臂电阻R1与低压臂电阻R2一端串联，所述低压臂电阻R2另一端设有第二接线端S2；所述高压臂电阻R1和低压臂电阻R2之间设有第三接线端S3；所述可控开关A和高压分压器B分别采用绝缘材料壳体进行封装。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)实现了直流高压与瞬态过程全程的测量：本发明的分压器带有可控开关，从而实现了直流高压与瞬态过程全程的测量(主要针对阶跃过程)。
(2)成本低、稳定性好：本发明通过可控开关的设置，实现了采用纯电阻式低阻值(千欧级)的分压器，体积小、成本更低且结构简单，稳定性更好。
(3)保证了被测信号的完整性：本发明采用了低阻值、低功率的分压器，使得对阶跃信号的测试具有更大的带宽，保证了被测信号的完整性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为可控开关采用摆杆、电磁铁实施方式的结构示意图。
图3为本发明的实验结构示意图。
图4(a-c)为本发明高压臂电阻不同阻值的测试结果。
图5(a-d)为本发明高压臂电阻不同功率的测试结果。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，包括可控开关A和高压分压器B，所述高压分压器包括高压臂电阻R1、低压臂电阻R2；所述可控开关A的一端设有接线端S1，作为高压接入点，可控开关A的另一端与高压分压器B的高压臂R1端相连；所述高压臂电阻R1与低压臂电阻R2一端串联，所述低压臂电阻R2另一端设有第二接线端S2，第二接线端S2用于测试接地端相连；所述高压臂电阻R1和低压臂电阻R2之间设有第三接线端S3；第二接线端S2和第三接线端S3用于低压臂电阻R2的两端并联数据采集系统，以对待测半导体器件的静态高电压和导通瞬间过渡过程信号的测试；可控开关A和高压分压器B分别采用绝缘材料壳体进行封装。
进一步的，所述可控开关A包括开关1、开关控制器2；开关控制器2用以驱动控制开关1的导通时刻；所述可控开关A包括开关1和控制开关1的导通时刻的开关控制器2，开关1一端与高压臂电阻R1相连，开关1另一端通过开关控制器2的控制实现与第一接线端S1的连接或断开。
结合图2，作为优选的实施方式，所述开关1包括绝缘的摆杆5，所述开关控制器2包括双向电磁铁4；所述摆杆5的一端连接有导线7，导线7另一端与第四接线端S4相连，导线7与摆杆5连接端由摆杆5带动可连接至第一接线端子S1；第四接线端S4与高压臂电阻R1相连；当摆杆5摆动时通过带动导线7实现第一接线端S1与第四接线端子S4的连接和断开；所述摆杆5中间与双向电磁铁4相连，双向电磁铁4上设有电极；摆杆5的另一端与弹簧6相连，弹簧6另一端固定在壳体内；所述双向电磁铁4通过第五接线端S5与外部12V的电源相连，当电源给双向电磁铁4通电(正向脉冲)时，摆杆5摆向第一接线端S1端，在弹簧6的弹性压力下，摆杆5可牢固地将导线7的一端贴合到第一接线S1端，实现开关1的导通；当电源给电磁铁反向脉冲时，摆杆5摆向第四接线端S4侧，同样在弹簧6的压力下摆杆5将导线7带动并远离S1端，实现开关1的断开；可控开关A通过外部电路的驱动控制双向电磁铁4的通断电，从而控制开关1的导通时刻；当测试大功率半导体器件开关导通过程中，由于双向电磁铁4的动作可控，在高电压加至高压分压器B后立即触发大功率半导体使之导通，可使高压分压器B承受高压的时间很短(通过时序系统可控制在毫秒级别)，尽可能控制了高压分压器B的有效高压工作时间，使高压分压器B不至于因发热而损坏，同时又保证了被测试信号的完整性。且采用本实施方式的可控开关A只需电源提供一组脉冲控制信号即可使其切换通/断状态，且通过调节摆杆5的长度便可更加灵活地适应绝缘距离即耐压等级需求。
进一步的，所述可控开关A的壳体内设有绝缘云母片8将外壳的内腔分成两个腔室，第一接线端S1和第四接线端S4位于一个腔室内(高压腔室)，双向电磁铁4位于另外一个腔室内(低压控制腔室)；绝缘云母片8中间设有槽口，摆杆5穿过绝缘云母片8的槽口进行摆动。云母片的可防止高压腔室内有拉弧时电弧进入低压控制腔室。
在一些实施方式中，所述高压可控开关A也可采用常见的高压干簧继电器来实现，在维持接通或断开过程中需要始终保持继电器上有控制信号。
基于上述可控开关A的实施方式，所述高压臂电阻R1的阻值不大于1M欧姆，功率不大于20W，具有较小的分布参数，使得对阶跃信号的测试具有更大的带宽，保证了被测信号的完整性。
在一些实施方式中，高压臂电阻R1采用阻值和功率略大于上述优选的实施方式，在使用可控开关A的构思下也可以实现本实施例中的技术效果，在不脱离本发明的总体技术构思下，仍属于本发明的保护范围。
进一步的，所述高压臂电阻R1与低压臂电阻R2均采用高压无感玻璃釉膜电阻制作而成；高压无感玻璃釉膜电阻，耐压特性好，分布电感与阻值相对较小，从而能够减少测量回路中杂散电感带来的干扰问题。
作为优选的，所述可控开关A、高压分压器B的壳体均采用环氧材料制成的圆柱体筒状结构，以减少内部连线长度，同时环氧材料制成圆柱形筒状结构能够有效的降低分压器的杂散电容。
进一步的，所述数据采集系统采用示波器或其他具有相同功能的数据采集系统，如带隔离的数据采集卡等。
结合图3，在验证基于电容储能的脉冲功率系统中，测试设备需要浮地测量，接线端S1和接线端S2分别接入外部电路的待测可控硅SCR的输入端和输出端，外部电路设有充电机Charger，充电机Charger正极连接开关SW，开关SW连接可控硅SCR的输入端，可控硅SCR的输出端依次连接电感L和负载电阻R，负载电阻R再连接充电机Charger的负极，在可控硅SCR的输入端和充电机Charger负极间并联有电容C，在可控硅SCR输出端与充电机Charger负极间并联有续流二极管D，续流二极管D的输出端接可控硅SCR的输出端；外部电路为一个典型的电容储能脉冲功率系统。在基于电容储能的脉冲功率系统中，作为主回路开关，大功率可控硅器件在系统初始储能(即电容器充电)阶段持续承受数千伏以上的高电压，而开关导通的放电过程相对极为短暂。
电容储能脉冲功率系统的基本工作过程如下：起始阶段开关SW闭合，充电机Charger向电容器C充电，充电完毕后SW断开，由外部电路控制可控硅SCR导通，电容器C内的能量以脉冲形式释放到负载R中。为测试可控硅SCR的导通过程，需将分压器装置并联在可控硅SCR阴阳极两端。测试过程中，在可控硅SCR触发导通之前，分压器装置中的高压开关1始终处于断开状态，当SCR触发信号到来之前的一刻高压开关1在开关控制器2控制下被接通，从而实现了高压与瞬态过程全程的测量。由于分压器B承受高压时间很短(取决于可控硅SCR触发信号与高压开关1控制信号之间的时延)，分压器中高压臂电阻R1可以采用低阻值小功率电阻，温升较小，同时分压器输出具有较大的带宽，保证了被测信号的完整性。
在验证实验中，上述高压分压器的高压臂阻值为100k欧姆，功率为10W，低压臂电阻阻值为100欧姆，功率为1W。分压比为1000:1(分压比可以根据具体测量电压进行调整)。经过实验验证，采用带可控开关A的基于上述阻值(及功率)配置的分压器可兼顾主电阻功率与信号完整性两者的平衡。
图4(a-c)为基于图2的可控硅SCR导通过程测试结果。实验结果采用示波器测量；结合图3可以看出，在待测可控硅两端施加1kv电压条件下，高压臂电阻R1阻值越大(兆欧姆级)，被测可控硅SCR导通过程中两端的阶跃电压过渡过程失真越大，只有阻值降低才能得到更为准确的信号，而小阻值电阻能够得到应用的前提则是采用本实施例中所描述的带可控开关的分压器结构。
图5(a-d)为不同功率的小阻值电阻分压器时，在待测可控硅两端施加4kv电压条件下，可控硅SCR导通过程测试结果；由于功率与体积存在递增函数关系，而体积增大将导致分压器的分布参数增大，分压器高压臂电阻R1功率越大，测试结果越不理想，因此采用小功率电阻的分压器有利于获得更加接近真实的信号。而应用小功率分压器的前提则是采用本实施例中所描述的带可控开关的分压器结构。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (7)
1.一种用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，包括高压分压器B，所述高压分压器包括高压臂电阻R1、低压臂电阻R2；其特征在于：还包括可控开关A，所述可控开关A的一端设有第一接线端S1，可控开关A的另一端与高压分压器B的高压臂R1端相连；所述高压臂电阻R1与低压臂电阻R2一端串联，所述低压臂电阻R2另一端设有第二接线端S2；所述高压臂电阻R1和低压臂电阻R2之间设有第三接线端S3；所述可控开关A和高压分压器B分别采用绝缘材料壳体进行封装。
2.根据权利要求1所述的用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，其特征在于，所述可控开关A包括开关(1)和控制开关(1)的导通时刻的开关控制器(2)，开关(1)一端与高压臂电阻R1相连，开关(1)另一端通过开关控制器(2)实现与第一接线端S1连接或断开。
3.根据权利要求2所述的用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，其特征在于，所述开关(1)包括绝缘的摆杆(5)，所述开关控制器(2)包括双向电磁铁(4)；所述摆杆(5)的一端连接有导线(7)，导线(7)另一端与第四接线端S4相连；第四接线端S4与高压臂电阻R1相连；摆杆(5)摆动带动导线(7)实现第一接线端S1与第四接线端子S4的连接或断开；所述摆杆(5)中间与双向电磁铁(4)相连，双向电磁铁(4)上设有电极；摆杆(5)的另一端与弹簧(6)相连，弹簧(6)另一端固定在壳体内；所述双向电磁铁(4)通过第五接线端S5与外部电源相连。
4.根据权利要求3所述的用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，其特征在于，可控开关A的壳体内设有绝缘云母片(8)将外壳的内腔分成两个腔室，第一接线端S1和第四接线端S4位于一个腔室内，双向电磁铁(4)位于另外一个腔室内。
5.根据权利要求1所述的用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，其特征在于，所述高压可控开关A为高压干簧继电器。
6.根据权利要求1所述的用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，其特征在于：所述高压臂电阻R1与低压臂电阻R2均采用高压无感玻璃釉膜电阻制作而成。
7.根据权利要求1所述的用于直流和瞬态过程测试的高压分压器装置，其特征在于：所述可控开关A、高压分压器B的封装壳体采用环氧材料制成的圆柱体筒状结构。
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