CN113030584A - 一种测量电容器寄生电感参数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量电容器寄生电感参数的系统与方法，该系统包括：电容器；标准电感，与所述电容器串联形成串联电路；电容充放电测量模块，与电容器和标准电感的串联电路连接，用于对电容器进行充电与放电；数据采集与处理模块，与电容充放电测量模块连接，用于发出控制信号控制电容充放电测量模块对电容器充放电的导通与关断，以及采集电容器放电前后电容器和标准电感两端的电压，根据采集到的电压计算得到电容器寄生电感的电感值。本发明解决了传统测量方法存在的耗时长、精度低等问题，可以实现快速地测量电容器寄生电感参数。

Description

一种测量电容器寄生电感参数的系统和方法

技术领域

本发明涉及寄生参数测量领域，具体涉及一种测量电容器寄生电感参数的系统和方法。

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，因此能够测量出电容本身寄生电感的大小，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，精度低等问题，提供一种测量电容器寄生电感参数的系统和方法，可实现快速地测量电容器寄生电感参数。

为了达到上述目的，本发明提供的一种测量电容器寄生电感参数的系统包括：电容器；

标准电感，与所述电容器串联形成串联电路；

电容充放电测量模块，与电容器和标准电感的串联电路连接，用于对电容器进行充电与放电；

数据采集与处理模块，与电容充放电测量模块连接，用于发出控制信号通过控制电容充放电测量模块对电容器充电与放电，以及采集电容器放电前后电容器和标准电感两端的电压，根据采集到的电压计算得到电容器的寄生电感。

进一步地，所述电容充放电测量模块包含：电容充放电主电路、驱动电路；

所述电容充放电主电路与所述电容器、所述标准电感连接，对电容器进行充电与放电；

所述驱动电路分别与电容充放电主电路、数据采集与处理模块相连接，用于接收数据采集与处理模块发出的控制信号，驱动电路接收该控制信号发出驱动信号驱动所述电容充放电主电路对电容器的充电与放电。

进一步地，所述数据采集与处理模块包含：电压采集单元、信号控制单元、数据处理单元；

所述电压采集单元分别与电容充放电主电路、数据处理单元相连接，用于采集电容器以及标准电感两端的电压；

所述信号控制单元与驱动电路连接，用于发出控制信号至驱动电路，控制信号经驱动电路后发出驱动信号驱动所述电容充放电主电路对电容器充放电的充电与放电；

所述数据处理单元根据采集到的电容器和标准电感两端电压计算电容器寄生电感的电感值。

进一步地，所述电容充放电主电路包含直流源、限流电阻、第一开关管、第二开关管；

直流源与限流电阻、第一开关管、第二开关管电路连接形成串联回路，其中第二开关管与所述电容器与标准电感的串联电路并联；

驱动电路驱动第一开关管导通，第二开关管关断，直流源给所述电容器充电；驱动电路驱动第一开关管关断，驱动第二开关管导通，电容器放电。

具体地，所述信号控制单元发出控制信号至驱动电路，驱动电路接收控制信号后发出驱动信号驱动所述电容充放电主电路的第一开关管以及第二开关管的导通与关断。

具体地，利用上述的测量电容器寄生电感参数的系统实现测量电容器寄生电感参数的方法包含以下步骤：

S1：信号控制单元发出控制信号至驱动电路，驱动电路接收控制信号后驱动电容充放电主电路的第一开关管导通，驱动第二开关管关断，并对电容器进行充电；

S2：信号控制单元发出控制信号至驱动电路，驱动电路接收控制信号后驱动电容充放电主电路的第一开关管关断，驱动第二开关管导通，电容器通过导通的第二开关管放电回路进行放电；电压采集单元采集电容器放电前后的电容器以及标准电感两端的电压；

S3：利用公式U＝L·di/dt及由电容器和标准电感的比例关系求解电容器寄生电感的电感值，其中U为电容器或标准电感两端的电压值，L为电容器寄生电感值或标准电感值，di/dt为放电回路电流对时间的导数。

根据电容器放电回路可构建S3步骤计算电容器的寄生电感的电感值的方程，具体方程如下所示：

其中，R_σ和L_σ分别为电容器的内阻和寄生电感，L_S为标准电感，R_S为标准电感的内阻，U_C0为电容器在充电阶段的充电电压值，U_C为放电阶段电容器两端的电压，i为放电回路电流，di/dt为电流变化率，U_LS为标准电感两端电压；

由于放电回路上寄生电感的影响，电容器放电瞬间回路上没有电流流过，即i＝0，放电回路上的电阻两端均没有压降，因此可以对放电瞬间的放电回路进行简化，方程(1)简化后得到以下方程：

其中电容器(100)的寄生电感L_σ两端的电压为U_Lσ，则放电瞬间U_Lσ＝U_C0-U_C，因此方程(2)可化简为以下方程：

由方程(3)可得到L_σ＝L_S·U_Lσ/U_LS＝L_S·(U_C0-U_C)/U_LS，其中L_S为定值，U_C0为定值，U_C、U_LS均可通过电压采集模块测量得到。

本发明具有以下有益效果：

1.基于电容充放电的测量方法可实现快速地测量电容器寄生电感参数；

2.利用电容放电瞬间的参数测量方法可避免回路中电阻和互感对测量的影响；

3.硬件方案简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明的一种测量电容器寄生电感参数的系统的结构示意图；

图2为本发明的一种测量电容器寄生电感参数的系统中电容充放电测量模块的电容充放电主电路与电容器、标准电感相连接的电路图；

图3为本发明的一种测量电容器寄生电感参数的系统中电容充放电测量模块的电容充放电主电路与电容器、标准电感相连接的放电回路电路图；

图4为本发明的一种测量电容器寄生电感参数的系统中电容充放电测量模块的电容充放电主电路与电容器、标准电感相连接的放电回路在电容放电瞬间的电路图；

图5为本发明的一种测量电容器寄生电感参数的系统中数据采集与处理模块的电压采集单元的流程图；

图6为本发明的一种测量电容器寄生电感参数的系统中数据采集与处理模块的数据处理单元的流程图。

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一种测量电容器寄生电感参数的系统和方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种测量电容器寄生电感参数的系统包括：

电容器100；

标准电感200，本实施例中为一根直导线，其与所述电容器100串联形成串联电路；

电容充放电测量模块300，与由电容器100和标准电感200构成的串联电路连接，用于对电容器100进行充电与放电；

数据采集与处理模块400，与电容充放电测量模块300连接，用于发出控制信号并通过控制电容充放电测量模块300对电容器100充电与放电，以及采集电容器100放电前后的电容器100和标准电感200两端的电压，根据采集到的电压计算得到电容器的寄生电感。

进一步地，所述电容充放电测量模块300包含：电容充放电主电路302、驱动电路301；

所述驱动电路301分别与电容充放电主电路302、数据采集与处理模块400相连接，用于接收数据采集与处理模块400发出的控制信号，并发出驱动信号驱动所述电容充放电主电路302对电容器100的充电与放电；

所述电容充放电主电路302分别与所述电容器100、所述标准电感200连接，根据驱动电路301的控制信号对电容器100进行充电与放电。

进一步地，所述数据采集与处理模块400包含：电压采集单元402、信号控制单元401、数据处理单元403；

所述电压采集单元402分别与电容充放电主电路302、数据处理单元403相连接，用于采集电容器100和标准电感200两端的电压，并将采集到的电容器100和标准电感200两端的电压传输至数据处理单元403；

所述信号控制单元401与驱动电路301连接，用于发出控制信号，驱动电路301接收控制信号后驱动所述电容充放电主电路302对电容器100的充电与放电；

所述数据处理单元403根据采集到的电容器100和标准电感200两端电压计算电容器100的寄生电感的电感值。进一步地，如图2所示，所述电容充放电主电路302包含直流源V_DC、限流电阻R、第一开关管VS₁、第二开关管VS₂；

直流源V_DC与限流电阻R、第一开关管VS₁、第二开关管VS₂形成封闭的串联回路，其中第二开关管VS₂与所述由电容器100与标准电感200构成的串联电路并联；

驱动电路301驱动第一开关管VS₁导通，驱动第二开关管VS₂关断，直流源V_DC给所述电容器100充电；驱动电路301驱动第一开关管VS₁关断，驱动第二开关管VS₂导通，电容器100放电。

本实施例中所述信号控制单元401和所述数据处理单元403均在FPGA实现，所述信号控制单元401用于发出控制信号通过驱动电路301驱动第一开关管VS₁和第二开关管VS₂导通与关断。

电容器100的寄生电感参数的测量过程分为两个阶段：充电阶段和放电阶段。如图2所示为电容充放电主电路302与电容器100、标准电感200相连接的电路图，其中，第一开关管VS₁和第二开关管VS₂均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中第一开关管VS₁、第二开关管VS₂分别为IGBT半桥模块的上、下桥臂。在充电阶段，上桥臂的第一开关管VS₁处于导通状态，下桥臂的第二开关管VS₂处于关断状态，此时直流源V_DC给电容器100进行充电。在放电阶段，断开直流源V_DC，上桥臂的第一开关管VS₁处于关断状态，下桥臂的第二开关管VS₂处于导通状态，此时电容器100通过下桥臂的第二开关管VS₂回路进行放电。放电回路如图3所示，其中电容器100中的内阻为R_σ、寄生电感为L_σ；放电回路包含电阻R₁和寄生电感L₁；标准电感200包含电感L_S、内阻R_S；电容器100在充电阶段的充电电压为U_C0。

具体地，利用上述的系统实现测量电容器100的寄生电感参数的方法包含以下步骤：

S1：信号控制单元401发出控制信号至驱动电路301，驱动电路301接收控制信号后驱动电容充放电主电路302的第一开关管VS₁导通，驱动第二开关管VS₂关断，并对电容器100进行充电；

S2：信号控制单元401发出控制信号至驱动电路301，驱动电路301接收控制信号后驱动电容充放电主电路302的第一开关管关断VS₁，驱动第二开关管VS₂导通，电容器100通过导通的第二开关管VS₂回路进行放电；如图5所示，在电容器100放电前后，电压采集单元402分别采集电容器100两端的电压以及标准电感200两端的电压；

S3：如图6所示，将电容器100两端电压和标准电感200两端电压代入相关方程以及由电容器和标准电感的电压比例关系求解电容器寄生电感的电感值。

进一步地，根据电容器放电回路可构建S3步骤的所述的方程如下：

其中，R_σ和L_σ分别为电容器100的内阻和寄生电感，L_S为标准电感200的电感值，其中R_S为标准电感的内阻，U_C0为电容器在充电阶段的充电电压值，U_C为放电阶段电容器两端电压，i为放电回路电流，di/dt为电流变化率，U_LS为标准电感两端电压。

由于放电回路上寄生电感L₁、L_σ和L_S的影响，电容器100放电瞬间回路上没有电流流过，即i＝0，放电回路上的电阻R₁、R_S、R_σ两端均没有压降，因此可以对放电瞬间的放电回路进行简化如图4所示，此时等式(1)简化后得到以下方程：

设电容器100的寄生电感L_σ两端电压为U_Lσ,则U_Lσ＝U_C0-U_C。因此等式(2)可化简为以下方程：

根据方程(3)可得L_σ＝L_S·U_Lσ/U_LS＝L_S·(U_C0-U_C)/U_LS，其中L_S为定值，U_C0为定值，U_C、U_LS均可通过电压采集模块测量得到。

综上所述，本发明提供的一种测量电容器寄生电感参数系统和方法基于电容充放电的测量方法可实现快速地测量电容器寄生电感参数；利用电容放电瞬间的参数测量方法可避免回路中电阻和互感对测量的影响；且硬件方案简单，易于实现。

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 (7)

1.一种测量电容器寄生电感参数的系统，其特征在于，包括：

电容器(100)；

标准电感(200)，与所述电容器(100)串联形成串联电路；

电容充放电测量模块(300)，与电容器(100)和标准电感(200)的串联电路连接，用于对电容器(100)进行充电与放电；

数据采集与处理模块(400)，与电容充放电测量模块(300)连接，用于发出控制信号通过控制电容充放电测量模块(300)对电容器(100)的充电与放电，以及采集电容器(100)放电前后电容器(100)以及标准电感(200)两端的电压，根据采集到的电压计算得到电容器(100)的寄生电感。

2.如权利要求1所述的测量电容器寄生电感参数的系统，其特征在于，所述电容充放电测量模块(300)包含：电容充放电主电路(302)、驱动电路(301)；

所述电容充放电主电路(302)与所述电容器(100)、标准电感(200)连接，对电容器(100)进行充电与放电；

所述驱动电路(301)分别与电容充放电主电路(302)、数据采集与处理模块(400)相连接，用于接收数据采集与处理模块(400)发出的控制信号，驱动电路(301)接收该控制信号产生驱动信号驱动所述电容充放电主电路(302)对电容器(100)的充电与放电。

3.如权利要求2所述的测量电容器寄生电感参数的系统，其特征在于，所述数据采集与处理模块(400)包含：电压采集单元(402)、信号控制单元(401)、数据处理单元(403)；

所述电压采集单元(402)分别与电容充放电主电路(302)、数据处理单元(403)相连接，用于采集电容器(100)以及标准电感(200)两端的电压；

所述信号控制单元(401)与驱动电路(301)连接，用于发出控制信号至驱动电路(401)，驱动电路(401)接收控制信号后发出驱动信号驱动所述电容充放电主电路(302)对电容器(100)的充电与放电；

所述数据处理单元(403)根据采集到的电容器(100)和标准电感(200)两端电压数据计算电容器(100)的寄生电感的电感值。

4.如权利要求2所述的测量电容器寄生电感参数的系统，其特征在于，所述电容充放电主电路(302)包含直流源、限流电阻、第一开关管、第二开关管；

所述直流源与限流电阻、第一开关管、第二开关管电路连接形成串联回路，其中第二开关管与所述电容器(100)与标准电感(200)的串联电路并联；

驱动电路(301)驱动第一开关管导通，驱动第二开关管关断，直流源给所述电容器充电；驱动电路(301)驱动第一开关管关断，驱动第二开关管导通，电容器放电。

5.如权利要求4所述的测量电容器寄生电感参数的系统，其特征在于，所述信号控制单元发出控制信号至驱动电路(301)，驱动电路(301)接收控制信号后发出驱动信号驱动所述第一开关管、第二开关管的导通与关断。

6.一种测量电容器寄生电感参数的方法，采用如权利要求1-5任一项所述的系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1：信号控制单元(401)发出控制信号至驱动电路(301)，驱动电路(301)接收控制信号后驱动电容充放电主电路(302)的第一开关管导通，驱动第二开关管关断，并对电容器(100)进行充电；

S2：信号控制单元(401)发出控制信号至驱动电路(301)，驱动电路(301)接收控制信号后驱动电容充放电主电路(302)的第一开关管关断，驱动第二开关管导通，电容器(100)通过放电回路进行放电；电压采集单元(402)采集电容器(100)放电前后的电容器(100)以及标准电感(200)两端的电压；

S3：利用公式U＝L·di/dt及由电容器和标准电感的电压比例关系求解电容器寄生电感的电感值；其中U为电容器或标准电感两端的电压值，L为电容器寄生电感值或标准电感值，di/dt为放电回路电流对时间的导数。

7.如权利要求6所述的测量电容器寄生电感参数的方法，其特征在于，根据电容器放电回路可构建S3步骤计算电容器的寄生电感的电感值的方程，具体方程如下所示：

其中R_σ和L_σ分别为电容器的内阻和寄生电感，L_S为标准电感，其中R_S为标准电感的内阻，U_C0为电容器在充电阶段的充电电压值，U_C为放电阶段电容器两端的电压，i为放电回路电流，di/dt为电流变化率，U_LS为标准电感两端电压；

由于放电回路上寄生电感的影响，电容器放电瞬间回路上没有电流流过，放电回路电流i＝0，放电回路上的电阻两端均没有压降，因此可以对放电瞬间的放电回路进行简化，方程(1)简化后得到以下方程：

其中电容器(100)的寄生电感L_σ两端的电压为U_Lσ，则U_Lσ＝U_C0-U_C；因此方程(2)可化简为以下方程：

由方程(3)可得到L_σ＝L_S·U_Lσ/U_LS＝L_S·(U_C0-U_C)/U_LS，其中L_S为定值，U_C0为定值，U_C、U_LS均可通过电压采集模块测量得到。

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