CN112881809A - 一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统和方法 - Google Patents

一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统和方法，系统包括：电容充放电测量模块，与待测薄膜电容器相连接，用于对所述薄膜电容器进行充电与放电；数据采集与处理模块，与所述电容充放电测量模块相连接，用于向所述电容充放电测量模块发出充/放电控制信号，以及采集前后所述薄膜电容器两端的电压和流过所述薄膜电容器的电流，并且对采集到的电压和电流数据进行处理，计算得到所述薄膜电容器寄生电感的电感值。本发明能够可实现快速准确地测量薄膜电容器寄生电感参数。

Description

一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统和方法
技术领域
本发明涉及寄生参数测量技术领域，具体涉及一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统和方法。
背景技术
在实际电路中，电容元器件存在着多种分布参数，其中对电容本身特性影响最大的是寄生电感，这些寄生电感的电感特性使得电容在使用时有一定的局限性。在开关电路中，换流回路的寄生电感就扮演着非常重要的角色。根据寄生电感的电感量和电流变化率di/dt，器件在开关状态时要承受额外的电压应力，极端条件可能会造成器件的损坏。换流回路中直流母线电容的寄生电感就是影响因素之一，因此如果能够测量出电容本身寄生电感的大小，就可以在使用时更合理的选择电容元器件。
由于电容器寄生电感的电感量很小，一般为nH级别，导致绝大部分LCR电桥无法测量电容本身的寄生电感。对于电容的寄生电感参数测量方法主要是利用电容自谐振原理进行测量，但由于电容的电容值与待测寄生电感的电感值都不是确定的，因此测量设备需要提供极大的电压频率范围，而且测量过程需要检测和采集电容元件发生自谐振时对应的频率，这都不利于快速与精准测量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术测量速度慢、精度低的问题，提供一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统和方法，可实现快速准确地测量薄膜电容器寄生电感参数。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，包括：
电容充放电测量模块，与待测薄膜电容器相连接，用于对所述薄膜电容器进行充电与放电；
数据采集与处理模块，与所述电容充放电测量模块相连接，用于向所述电容充放电测量模块发出充/放电控制信号，以及采集放电前后所述薄膜电容器两端的电压和流过所述薄膜电容器的电流，并且对采集到的电压和电流数据进行处理，计算得到所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
进一步的，所述电容充放电测量模块包括：电容充放电主电路和驱动电路；
所述电容充放电主电路与所述薄膜电容器相连接，用于对所述薄膜电容器进行充电与放电；
所述驱动电路分别与所述电容充放电主电路、所述数据采集与处理模块相连接，用于根据所述数据采集与处理模块发出的充/放电控制信号，发出充/放电驱动信号驱动所述电容充放电主电路对所述薄膜电容器进行充电与放电。
进一步的，所述电容充放电主电路包括直流电源、第一开关管和第二开关管；
所述第一开关管和第二开关管串联后连接所述直流电源，所述薄膜电容器与所述第二开关管并联；
所述充/放电驱动信号驱动所述第一开关管导通、所述第二开关管关断时，所述直流电源给所述薄膜电容器进行充电；
所述充/放电驱动信号驱动所述第一开关管关断、所述第二开关管导通时，所述薄膜电容器通过所述第二开关管进行放电。
进一步的，所述第一开关管和所述第二开关管分别为IGBT半桥模块的上下桥臂。
进一步的，所述驱动电路包括将所述数据采集与处理模块发出的常高/常低状态信号转换为常低/常高状态信号的反向施密特触发器、与所述反向施密特触发器相连接并基于常低/常高状态信号发出充/放电驱动信号的驱动器。
进一步的，所述数据采集与处理模块包括：信号控制单元、采集电路和数据处理单元；
所述信号控制单元与所述驱动电路相连接，用于向所述驱动电路发出充/放电控制信号；
所述采集电路分别与所述电容充放电主电路、所述数据处理单元相连接，包括电压采集电路和电流采集电路，所述电压采集电路用于采集放电前后所述薄膜电容器两端的电压，所述电流采集电路用于采集放电前后流过所述薄膜电容器的电流；
所述数据处理单元用于根据采集到的电压和电流数据，计算所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
进一步的，所述电流采集电路使用电流霍尔传感器采集电流数据。
进一步的，所述数据处理单元处理所述电压采集电路采集到的电压数据的方式为：对采集到的电压数据进行均值滤波，得到电压值；
或，所述数据处理单元处理所述电流采集电路采集到的电流数据的方式为：对采集到的电流数据进行非线性曲线拟合，得到一段时间内的电流变化值。
进一步的，所述数据处理单元根据以下公式计算得到所述薄膜电容器寄生电感的电感值LS：Ls＝(ΔUc-i·RS-∫idt/C)/(di/dt)；
式中，ΔUC表示放电前与放电后t1时刻所述薄膜电容器两端的电压降，di/dt表示放电时间为t1时刻流过所述薄膜电容器中电流的变化率，i表示放电时间为t1时刻流过所述薄膜电容器的电流值，C为所述薄膜电容器的电容值，RS表示所述薄膜电容器的电阻值。
一种薄膜电容器寄生电感参数的测量方法，采用如上文所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统实现，包括：
S1，对所述薄膜电容器进行充电；
S2，充电完毕后，对所述薄膜电容器进行放电；
S3，采集放电前后所述薄膜电容器两端的电压和流过所述薄膜电容器的电流；
S4，根据采集的电压和电流数据，计算所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)基于电容充放电的测量方法可实现快速地测量薄膜电容器寄生电感参数；
(2)采用FPGA作为中央处理器，可以达到超高运算速度；
(3)硬件方案简单，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统中电容充放电测量模块的电容充放电主电路与待测薄膜电容器相连接的电路图；
图3为本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统中电容充放电测量模块的仿真结果；
图4为本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统中数据采集与处理模块的电压采集电路的电路图；
图5为本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统中数据采集与处理模块的电流采集电路的电路图；
图6为本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统中数据采集与处理模块的数据处理单元的处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图1～6和具体实施方式对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明提供的一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，用于快速地测量薄膜电容器的寄生电感参数。如图1所示，所述薄膜电容器寄生电感参数的测量系统包括电容充放电测量模块200和数据采集与处理模块300。
所述电容充放电测量模块200与待测薄膜电容器100相连接，用于对所述薄膜电容器进行充电与放电；
数据采集与处理模块300与所述电容充放电测量模块200相连接，用于向所述电容充放电测量模块200发出充/放电控制信号，以控制所述电容充放电测量模块200对所述薄膜电容器进行充电与放电，以及采集前后所述薄膜电容器100两端的电压和流过所述薄膜电容器100的电流，并且对采集到的电压和电流数据进行处理，计算得到所述薄膜电容器100寄生电感的电感值。
本发明通过控制薄膜电容充放电，并采集放电前后薄膜电容两端电压以及流过薄膜电容的电流，基于电压电流数据来计算得到薄膜电容寄生电感的电感值，相比于利用电容自谐振原理进行测量的方式，能够快速并且准确的测量出薄膜电容寄生电感参数。
优选的，如图1所示，所述电容充放电测量模块200包括：电容充放电主电路202和驱动电路201；所述电容充放电主电路202与所述薄膜电容器100相连接，用于对所述薄膜电容器100进行充电与放电；所述驱动电路201分别与所述电容充放电主电路202、所述数据采集与处理模块300相连接，用于根据所述数据采集与处理模块300发出的充/放电控制信号，发出充/放电驱动信号驱动所述电容充放电主电路202对所述薄膜电容器100进行充电与放电。
图2示出了所示电容充放电主电路的电路图，所述电容充放电主电路包括直流电源VDC、第一开关管VS1和第二开关管VS2；所述第一开关管VS1和第二开关管VS2串联后连接所述直流电源VDC，优选的，所述第一开关管VS1和第二开关管VS2与一限流电阻R串联后再与所述直流电源VDC连接，所述薄膜电容器100与所述第二开关管VS2并联；所述充/放电驱动信号驱动所述第一开关管VS1导通、所述第二开关管VS2关断时，所述直流电源VDC给所述薄膜电容器100进行充电；所述充/放电驱动信号驱动所述第一开关管VS1关断、所述第二开关管导通VS2时，所述薄膜电容器100通过所述第二开关管VS2进行放电。
所述驱动电路201包括将所述数据采集与处理模块300发出的常高/常低状态信号转换为常低/常高状态信号的反向施密特触发器、与所述反向施密特触发器相连接并基于常低/常高状态信号发出充/放电驱动信号的驱动器。
如图1所示，所述数据采集与处理模块300包括：信号控制单元301、采集电路302和数据处理单元303；所述信号控制单元301与所述驱动电路201相连接，用于向所述驱动电路201发出充/放电控制信号；所述采集电路302分别与所述电容充放电主电路202、所述数据处理单元303相连接，包括电压采集电路和电流采集电路，所述电压采集电路用于采集放电前后所述薄膜电容器100两端的电压，所述电流采集电路用于采集放电前后流过所述薄膜电容器100的电流；所述数据处理单元303用于根据采集到的电压和电流数据，计算所述薄膜电容器100寄生电感的电感值。优选地，本实施例中所述信号控制单元301和所述数据处理单元303均在FPGA实现，采用FPGA作为中央处理器，可以达到超高运算速度。
在实际应用中，第一开关管VS1和第二开关管VS2可以分别为IGBT半桥模块的上下桥臂。下面结合图2对薄膜电容器寄生电感参数的测量过程进行说明。测量过程分为两个阶段：充电阶段和放电阶段。在充电阶段，第一开关管(即上桥臂)VS1处于导通状态，第二开关管(即下桥臂)VS2处于关断状态，此时直流电源VDC给薄膜电容器100进行充电。在放电阶段，断开直流电源VDC，上桥臂VS1处于关断状态，下桥臂VS2处于导通状态，此时薄膜电容器100通过下桥臂VS2回路进行放电。图3为电容充放电测量模块200的仿真结果，薄膜电容器100与第二开关管VS2形成放电回路，电容电压本身不能突变，由于放电回路上寄生电感的影响，第二开关管VS2导通瞬间放电回路无电流流过，薄膜电容器100两端瞬间的电压降
Figure BDA0002902819210000061
。计算薄膜电容器100寄生电感的公式为
Figure BDA0002902819210000062
，即ΔUc＝LS·di/dt，但由于此时放电回路无电流流过，因此无法获取放电回路的电流变化率di/dt。
针对上述情况，如图3所示，取t0到t1时刻的电流变化率进行计算，t1时刻对应的电流值为i1。此时放电回路电流增加，薄膜电容器100两端的电压降ΔUC不再单单受到寄生电感LS的影响，其电压降ΔUc＝UL+UR+UC，其中UR＝i·RS,UC＝∫idt/C即ΔUc＝Ls·di/dt+i·RS+∫idt/C。其中di＝i1，dt＝t1，C表示薄膜电容器100的电容值，RS表示薄膜电容器100的电阻值，可以通过数据手册查阅得到，因此薄膜电容器100寄生电感的电感值
Figure BDA0002902819210000071
附图4和附图5分别为所述采集电路302的电压采集电路和电流采集电路。所述电压采集电路用于采集所述薄膜电容器100放电前后两端的电压，所述电流采集电路用于采集放电前后流过所述薄膜电容器100的电流。优选的，所述电流采集电路使用电流霍尔传感器采集电流数据。
如图6所示，所述数据处理单元303处理所述薄膜电容器100两端的电压数据的方式为：对所述薄膜电容器100两端的电压数据进行均值滤波，从而得到电压值；所述数据处理单元303处理流过所述薄膜电容器100中电流数据的方式为：对流过所述薄膜电容器100的电流数据进行非线性曲线拟合，从而求得一段时间内的电流变化值；所述数据处理单元303计算得到所述薄膜电容器100寄生电感的电感值的方式为：计算电压突变时间Δt时间段内的电流变化值Δi，进而计算出电流变化率di/dt和电流积分值∫idt/C，将电流变化率di/dt，电流积分值∫idt/C和电压降ΔUC代入公式Ls＝(ΔUc-i·RS-∫idt/C)/(di/dt)，最后求得所述薄膜电容器100寄生电感的电感值LS。
本发明的另一实施例提供一种薄膜电容器寄生电感参数的测量方法，采用如上文所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统实现，包括如下步骤：
S1，对所述薄膜电容器进行充电；
S2，充电完毕后，对所述薄膜电容器进行放电；
S3，采集放电前后所述薄膜电容器两端的电压和流过所述薄膜电容器的电流；
S4，根据采集的电压和电流数据，计算所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
在步骤S1中，信号控制单元301向驱动电路201发出充电控制信号，驱动电路201发出充电驱动信号驱动电容充放电主电路202中的第一开关管VS1导通、第二开关管VS2关断，直流电源VDC对薄膜电容器100进行充电。
在步骤S2中，充电完毕后，信号控制单元301向驱动电路201发出放电控制信号，驱动电路201发出放电驱动信号驱动电容充放电主电路202中的第一开关管VS1关断、第二开关管VS2导通，薄膜电容器100与第二开关管VS2构成回路进行放电。
在步骤S3中，采集电路302中的电压采集电路采集放电前后所述薄膜电容器100两端的电压，电流采集电路采集放电前后流过所述薄膜电容器100的电流。
在步骤S4中，数据处理单元303对采集的电压和电流数据进行处理，再根据公式计算所述薄膜电容器100寄生电感的电感值。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，包括：
电容充放电测量模块，与待测薄膜电容器相连接，用于对所述薄膜电容器进行充电与放电；
数据采集与处理模块，与所述电容充放电测量模块相连接，用于向所述电容充放电测量模块发出充/放电控制信号，以及采集前后所述薄膜电容器两端的电压和流过所述薄膜电容器的电流，并且对采集到的电压和电流数据进行处理，计算得到所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
2.如权利要求1所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述电容充放电测量模块包括：电容充放电主电路和驱动电路；
所述电容充放电主电路与所述薄膜电容器相连接，用于对所述薄膜电容器进行充电与放电；
所述驱动电路分别与所述电容充放电主电路、所述数据采集与处理模块相连接，用于根据所述数据采集与处理模块发出的充/放电控制信号，发出充/放电驱动信号驱动所述电容充放电主电路对所述薄膜电容器进行充电与放电。
3.如权利要求2所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述电容充放电主电路包括直流电源、第一开关管和第二开关管；
所述第一开关管和第二开关管串联后连接所述直流电源，所述薄膜电容器与所述第二开关管并联；
所述充/放电驱动信号驱动所述第一开关管导通、所述第二开关管关断时，所述直流电源给所述薄膜电容器进行充电；
所述充/放电驱动信号驱动所述第一开关管关断、所述第二开关管导通时，所述薄膜电容器通过所述第二开关管进行放电。
4.如权利要求3所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管分别为IGBT半桥模块的上下桥臂。
5.如权利要求2所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述驱动电路包括将所述数据采集与处理模块发出的常高/常低状态信号转换为常低/常高状态信号的反向施密特触发器、与所述反向施密特触发器相连接并基于常低/常高状态信号发出充/放电驱动信号的驱动器。
6.如权利要求2所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述数据采集与处理模块包括：信号控制单元、采集电路和数据处理单元；
所述信号控制单元与所述驱动电路相连接，用于向所述驱动电路发出充/放电控制信号；
所述采集电路分别与所述电容充放电主电路、所述数据处理单元相连接，包括电压采集电路和电流采集电路，所述电压采集电路用于采集放电前后所述薄膜电容器两端的电压，所述电流采集电路用于采集放电前后流过所述薄膜电容器的电流；
所述数据处理单元用于根据采集到的电压和电流数据，计算所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
7.如权利要求6所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述电流采集电路使用电流霍尔传感器采集电流数据。
8.如权利要求6所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述数据处理单元处理所述电压采集电路采集到的电压数据的方式为：对采集到的电压数据进行均值滤波，得到电压值；
或，所述数据处理单元处理所述电流采集电路采集到的电流数据的方式为：对采集到的电流数据进行非线性曲线拟合，得到一段时间内的电流变化值。
9.如权利要求8所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统，其特征在于，所述数据处理单元根据以下公式计算得到所述薄膜电容器寄生电感的电感值LS：Ls＝(ΔUc-i·RS-∫idt/C)/(di/dt)；
式中，ΔUC表示放电前与放电后t1时刻所述薄膜电容器两端的电压降，di/dt表示放电前与放电后t1时刻流过所述薄膜电容器的电流变化率，i表示放电后t1时刻流过所述薄膜电容器的电流值，C为所述薄膜电容器的电容值，RS表示所述薄膜电容器的电阻值。
10.一种薄膜电容器寄生电感参数的测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的薄膜电容器寄生电感参数的测量系统实现，包括：
S1，对所述薄膜电容器进行充电；
S2，充电完毕后，对所述薄膜电容器进行放电；
S3，采集放电前后所述薄膜电容器两端的电压和流过所述薄膜电容器的电流；
S4，根据采集的电压和电流数据，计算所述薄膜电容器寄生电感的电感值。
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