一种电容的直流偏压特性测试电路及测试方法
【专利摘要】本发明公开一种电容的直流偏压特性测试电路及其方法，电路包括直流稳压电源、测试仪表、第一电容件、第二电容件、第一开关和第二开关，第一电容件和第二电容件并联，直流稳压电源的分别连接第一电容件和第二电容件的一端，直流稳压电源的另一端通过第一开关连接第一电容件的另一端，第一电容件的另一端通过第二开关连接第二电容件的另一端，测试仪表并接于第二开关的两端，第一电容件为待测电容；第二电容件为与第一电容件的结构性能相同的待测电容或者第二电容件为已知阻抗的电压源或者第二电容件为参数已知的电容。本发明克服了以往电容负载在直流偏压下测试难题，尤其在高频电路中直流偏压的电容测得数据准确有效，测得数据不需复杂运算。
【专利说明】
一种电容的直流偏压特性测试电路及测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电容的直流偏压特性测试电路及测试方 法。
【背景技术】
[0002] 电容器在实际工作时常有一定的直流电压偏置，在直流电压偏置下电容特性往往 会发生改变，包括电容容值、电容等效串联电阻和电容等效串联电感等。此时用静态时，即 无直流电压偏置时，测定的电容特性参数来表征直流电压偏置下的电容特性并不准确也不 够完整。
[0003] 现有技术主要针对电容静态特性和交流负载下的特性测试，未能实现在直流偏压 下准确测定电容特性。在实际电路中不论是用于EMI抑制的X电容、Y电容，还是用于稳压的 电解电容，在电路正常工作过程中，其两端均有一定的直流偏压。电容在直流偏压下，其ESR 和容值的大小均会发生变化的，且工作时的电压越大，其实际工况下的ESR和容值与静态时 的差别越大，因此在电容的精确建模时需要考虑电容受到直流偏压的影响。而常用的阻抗 分析仪或LCR表是精密仪器，在测试时，被测器件两端不能有电位差，否则很容易把仪器烧 坏。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现电容负载特性在直流偏压 情况下的精确测量的电容的直流偏压特性测试电路及测试方法。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] -种电容的直流偏压特性测试电路，其包括直流稳压电源、测试仪表、第一电容 件、第二电容件、第一开关和第二开关，所述直流稳压电源的正极分别连接第一电容件的一 端和第二电容件的一端直流稳压电源的负极通过第一开关连接第一电容件的另一端，第一 电容件的另一端通过第二开关连接第二电容件的另一端，所述测试仪表的两个测量端子分 连接在第二开关的两端，所述第一电容件为待测电容;所述第二电容件为与第一电容件的 结构性能相同的待测电容或者所述第二电容件为已知阻抗的电压源或者所述第二电容件 为参数已知的电容。
[0007] 所述第一开关为单刀单掷开关。
[0008] 所述第二开关为单刀单掷开关。
[0009] 所述测试仪表为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。
[0010] 本发明还公开了一种电容的直流偏压特性测试方法，应用于所述电容的直流偏压 特性测试电路，其包括以下步骤：
[0011] 步骤1、闭合第一开关和第二开关，利用直流稳压电源对第一电容件和第二电容件 充电至稳定值；
[0012] 步骤2、断开第一开关和第二开关；
[0013 ]步骤3、利用测试仪表获取第一电容件和第二电容件串联时的阻抗曲线；
[0014] 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，根据测试仪表测得 的总阻抗Z，计算得到待测电容的容抗Zc:
[0015] 当所述第二电容件为第一电容件的结构性能相同的待测电容时，根据一级串联模 型，计算待测电容的容抗ZC，测试仪表测得的总阻抗Z = 2ZC，
；当所述第二电容件为 已知阻抗的电压源时，Zc = Z_Zs'，其中Zs'为已知电压源的阻抗，Z为测试仪表测得的总阻 抗；
[0016] 当所述第二电容件为参数已知的电容时，ZC = Z-ZC'，其中Zc'为已知电容的容抗， Z为测试仪表测得的总阻抗；
[0017] 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：
[0019]其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率；
[0020]步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Zo,当容值为C的待 测电容与等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联 电阻ESR:
[0023] ESR = Zo (4)
[0024] 步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
[0025] 本发明还公开了另一种电容的直流偏压特性测试电路，其包括直流稳压电源、测 试仪表、第一电容件、第一开关和第二开关，所述直流稳压电源的正极分别连接第一电容件 的一端直流稳压电源的负极通过第一开关连接第一电容件的另一端，所述测试仪表的一个 端子通过第二开关连接在第一开关的两端，测试仪表的另一个端子连接在第一开关的另一 端，所述第一电容件为待测电容;所述直流稳压电源为阻抗参数已知的电压源；
[0026]所述第一开关为单刀单掷开关。
[0027]所述第二开关为单刀单掷开关。
[0028] 所述测试仪表为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。
[0029] 本发明还公开了一种电容的直流偏压特性测试方法，上述另一种电容的直流偏压 特性测试电路，其包括以下步骤：
[0030] 步骤1、闭合第一开关，断开第二开关，利用直流稳压电源对第一电容件充电至稳 定值；
[0031] 步骤2、断开第一开关；
[0032] 步骤3、开通第二开关，利用测试仪表获取第一电容件的阻抗曲线；
[0033] 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，本实施例中测量频 率f可选谐振点频率的1/10处，根据测试仪表测得的对应的总阻抗Z，计算得到待测电容和 直流源串联的容抗Zc;
[0034] 具体本实施里中Zc = Z_Zs'，其中Zs'为已知电压源1的阻抗，Z为测试仪表测得的 总阻抗；
[0035] 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：
[0037] 其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率；
[0038] 步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Z0，当容值为C的待 测电容与等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联 电阻ESR:
[0041 ] ESR = Zo (4)
[0042] 步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
[0043] 本发明采用以上技术方案，通过直流稳压电源、第一开关和第二开关配合测试仪 表，利用第一开关和第二开关的组合配合切换待测电容充电过程和阻抗测试过程。本发明 在断开第二开关进行阻抗测量时，测试仪表的测量端口的两端电压为零，避免了测试仪表 处于有电压状态容易烧毁的问题;本发明的测试电路可以测试电容器在宽直流偏压范围与 宽频率范围内的阻抗特性，进而获取其构成材料在此条件下的特性，测试频率更高;能有效 限制直流稳压电源对测试精度的影响，测试得到的数值更为准确，且消除了电容的充放电 电流对阻抗测试仪的冲击，不降低阻抗测试仪的寿命。可广泛的运用于电力电子应用环境 下的电容测试。
【附图说明】
[0044]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明；
[0045] 图1为本发明一种电容的直流偏压特性测试电路的实施例1或实施例3的电路原理 图；
[0046] 图2为本发明一种电容的直流偏压特性测试电路的实施例1的低频测量时的电容 的一级串联t吴型；
[0047] 图3为本发明一种电容的直流偏压特性测试电路的实施例2的电路原理图；
[0048]图4为本发明一种电容的直流偏压特性测试电路的实施例4的电路原理图。
【具体实施方式】
[0049]实施例1:如图1或图2所示，本发明一种电容的直流偏压特性测试电路，其包括直 流稳压电源1、测试仪表6、第一电容件2、第二电容件3、第一开关5和第二开关，所述直流稳 压电源1的正极分别连接第一电容件2的一端和第二电容件3的一端直流稳压电源1的负极 通过第一开关5连接第一电容件2的另一端，第一电容件2的另一端通过第二开关4连接第二 电容件3的另一端，所述测试仪表6的两个测量端子分连接在第二开关4的两端，所述第一电 容件2为待测电容;所述第二电容件3为第一电容件2的结构性能相同的待测电容；
[0050]所述第一开关5为单刀单掷开关。
[0051]所述第二开关4为单刀单掷开关。
[0052]所述测试仪表6为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。
[0053] -种电容的直流偏压特性测试方法，应用于所述电容的直流偏压特性测试电路， 且所述第二电容件3为与第一电容件2的结构性能相同的待测电容的场合，其包括以下步 骤：
[0054]步骤1、闭合第二开关4和第一开关5,利用直流稳压电源1对第一电容件2和第二电 容件3充电至稳定值；
[0055] 步骤2、断开第一开关5和第二开关4;
[0056] 步骤3、利用测试仪表6获取第一电容件2和第二电容件3串联时的阻抗曲线；
[0057]步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，本实施例中测量频 率f可选谐振点频率的1/10处，根据测试仪表6测得的对应的总阻抗Z，计算得到待测电容的 容抗Zc;
[0058] 本实施里中根据一级串联模型，计算待测电容的容抗Zc，测试仪表6测得的总阻抗 Z = 2ZC；
[0059] 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：
[0061] 其中，ZC为待测电容的容抗，f发为测量频率；
[0062] 步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Zo,当容值为C的待 测电容与等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联 电阻ESR:
[0065] ESR = Zo (4)
[0066] 步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
[0067] 本实施例采用以上技术方案，通过直流稳压电源1、第一开关5和第二开关4配合测 试仪表6,利用第一开关5和第二开关4的组合配合切换待测电容充电过程和阻抗测试过程。 本实施例将直流偏压同时加在第一电容件2和第二电容件3,使得第一电容件2和第二电容 件3均有直流偏压，但是第一电容件2和第二电容件3两端电压相等，测试仪表6的测试端子 分别与第一电容件2和第二电容件3的具有同等电位的一端连接获取测量数据，继而推出待 测电容的特性参数。本实施例在断开第二开关4进行阻抗测量时，测试仪表6的测量端口的 两端电压为零，避免了测试仪表6处于有电压状态容易烧毁的问题；
[0068] 实施例2:
[0069] 如图3所示，本发明的一种电容的直流偏压特性测试电路，其包括直流稳压电源1、 测试仪表6、第一电容件2、第二电容件3、第一开关5和第二开关4,所述直流稳压电源1的正 极分别连接第一电容件2的一端和第二电容件3的一端直流稳压电源1的负极通过第一开关 5连接第一电容件2的另一端，第一电容件2的另一端通过第二开关4连接第二电容件3的另 一端，所述测试仪表6的两个测量端子分连接在第二开关4的两端，所述第一电容件2为待测 电容;所述第二电容件3为已知阻抗的电压源。
[0070] 所述第一开关5为单刀单掷开关。
[0071]所述第二开关4为单刀单掷开关。
[0072] 所述测试仪表6为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。
[0073] -种电容的直流偏压特性测试方法，应用于所述电容的直流偏压特性测试电路， 且所述第二电容件3为已知阻抗的电压源的场合，其包括以下步骤：
[0074] 步骤1、闭合第一开关5和第二开关4,利用直流稳压电源1对第一电容件2和第二电 容件3充电至稳定值；
[0075]步骤2、断开第一开关5和第二开关4;
[0076] 步骤3、利用测试仪表6获取第一电容件2和第二电容件3串联时的阻抗曲线；
[0077] 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，根据测试仪表6测得 的总阻抗Z，计算得到待测电容的容抗Zc;
[0078] 具体在本实施例中Zc = Z_Zs'，其中Zs'为已知电压源的阻抗，Z为测试仪表测得的 总阻抗；
[0079] 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：
[0081] 其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率；
[0082] 步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Zo,当容值为C的待 测电容与等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联 电阻ESR:
[0085] ESR = Zo (4)
[0086] 步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
[0087] 本实施例采用以上技术方案，通过直流稳压电源1、第一开关5和第二开关4配合测 试仪表6,利用第一开关5和第二开关4的组合配合切换待测电容充电过程和阻抗测试过程。 本实施例将直流偏压同时加在第一电容件2和第二电容件3,使得第一电容件2和第二电容 件3均有直流偏压，但是第一电容件2和第二电容件3两端电压相等，测试仪表6的测试端子 分别与第一电容件2和第二电容件3的具有同等电位的一端连接获取测量数据，继而推出待 测电容的特性参数。本实施例在断开第二开关4进行阻抗测量时，测试仪表6的测量端口的 两端电压为零，避免了测试仪表6处于有电压状态容易烧毁的问题；
[0088]实施例3:如图1所示，本发明一种电容的直流偏压特性测试电路，其包括直流稳压 电源1、测试仪表6、第一电容件2、第二电容件3、第一开关5和第二开关4，所述直流稳压电源 1的正极分别连接第一电容件2的一端和第二电容件3的一端直流稳压电源1的负极通过第 一开关5连接第一电容件2的另一端，第一电容件2的另一端通过第二开关4连接第二电容件 3的另一端，所述测试仪表6的两个测量端子分连接在第二开关4的两端，所述第一电容件2 为待测电容;所述第二电容件2为参数已知的电容；
[0089]所述第一开关5为单刀单掷开关。
[0090]所述第二开关4为单刀单掷开关。
[0091 ]所述测试仪表6为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。
[0092] -种电容的直流偏压特性测试方法，应用于所述电容的直流偏压特性测试电路， 且所述第二电容件3为参数已知的电容的场合，其包括以下步骤：
[0093] 步骤1、闭合第二开关4和第一开关5,利用直流稳压电源1对第一电容件2和第二电 容件3充电至稳定值；
[0094]步骤2、断开第一开关5和第二开关4;
[0095] 步骤3、利用测试仪表6获取第一电容件2和第二电容件3串联时的阻抗曲线；
[0096] 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，本实施例中测量频 率f可选谐振点频率的1/10处，根据测试仪表6测得的对应的总阻抗Z，计算得到待测电容的 容抗Zc;
[0097] 具体本实施里中Zc = Z-Zc '，其中Zc '为已知电容的容抗，Z为测试仪表测得的总阻 抗；
[0098] 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：
[0100]其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率；
[01 01 ]步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Zo，当容值为C的待 测电容与等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联 电阻ESR:
[0104] ESR = Zo (4)
[0105] 步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
[0106] 本实施例采用以上技术方案，通过直流稳压电源1、第一开关5和第二开关4配合测 试仪表6,利用第一开关5和第二开关4的组合配合切换待测电容充电过程和阻抗测试过程。 本实施例将直流偏压同时加在第一电容件2和第二电容件3,使得第一电容件2和第二电容 件3均有直流偏压，但是第一电容件2和第二电容件3两端电压相等，测试仪表6的测试端子 分别与第一电容件2和第二电容件3的具有同等电位的一端连接获取测量数据，继而推出待 测电容的特性参数。本实施例在断开第二开关4进行阻抗测量时，测试仪表6的测量端口的 两端电压为零，避免了测试仪表6处于有电压状态容易烧毁的问题；
[0107] 实施例4:如图4所示，本发明一种电容的直流偏压特性测试电路，其包括直流稳压 电源1、测试仪表5、第一电容件2、第一开关5和第二开关4，所述直流稳压电源1的正极分别 连接第一电容件2的一端直流稳压电源1的负极通过第一开关5连接第一电容件2的另一端， 所述测试仪表5的一个端子通过第二开关4连接在第一开关5的两端，测试仪表5的另一个端 子连接在第一开关5的另一端，所述第一电容件2为待测电容;所述直流稳压电源1为阻抗参 数已知的电压源；
[0108] 所述第一开关5为单刀单掷开关。
[0109]所述第二开关4为单刀单掷开关。
[0110] 所述测试仪表5为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。
[0111] -种电容的直流偏压特性测试方法，应用于所述电容的直流偏压特性测试电路， 且所述直流源1为参数已知的电容的场合，其包括以下步骤：
[0112] 步骤1、闭合第一开关5,断开第二开关4,利用直流稳压电源1对第一电容件2充电 至稳定值；
[0113] 步骤2、断开第一开关5;
[0114] 步骤3、开通第二开关4,利用测试仪表6获取第一电容件2的阻抗曲线；
[0115] 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，本实施例中测量频 率f可选谐振点频率的1/10处，根据测试仪表6测得的对应的总阻抗Z，计算得到待测电容和 直流源串联的容抗Zc;
[0116] 具体本实施里中Zc = Z_Zs'，其中Zs'为已知的电压源的阻抗，Z为测试仪表测得的 总阻抗；
[0117] 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：
[0119] 其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率；
[0120] 步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Z0，当容值为C的待 测电容与等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联 电阻ESR:
[0123] ESR = Zo (4)
[0124] 步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
[0125] 本实施例在断开第一开关5开通第二开关4进行阻抗测量时，测试仪表5的测量端 口的两端电压为零，避免了测试仪表5处于有电压状态容易烧毁的问题。
[0126] 综上所述，本发明的测试电路可以测试电容器在宽直流偏压范围与宽频率范围内 的阻抗特性，进而获取其构成材料在此条件下的特性，测试频率更高;能有效限制直流稳压 电源1对测试精度的影响，测试得到的数值更为准确，且消除了电容的充放电电流对阻抗测 试仪的冲击，不降低阻抗测试仪的寿命。可广泛的运用于电力电子应用环境下的电容测试。
【主权项】
1. 一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:其包括直流稳压电源、测试仪表、 第一电容件、第二电容件、第一开关和第二开关，所述直流稳压电源的正极分别连接第一电 容件的一端和第二电容件的一端直流稳压电源的负极通过第一开关连接第一电容件的另 一端，第一电容件的另一端通过第二开关连接第二电容件的另一端，所述测试仪表的两个 测量端子分连接在第二开关的两端，所述第一电容件为待测电容;所述第二电容件为与第 一电容件的结构性能相同的待测电容或者所述第二电容件为已知阻抗的电压源或者所述 第二电容件为参数已知的电容。2. 根据权利要求1所述一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:所述第一开关 为单刀单掷开关。3. 根据权利要求1所述一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:所述第二开关 为单刀单掷开关。4. 根据权利要求1所述一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:所述测试仪表 为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。5. -种电容的直流偏压特性测试方法，应用于权利要求1所述电容的直流偏压特性测 试电路，其特征在于:其包括W下步骤： 步骤1、闭合第一开关和第二开关，利用直流稳压电源对第一电容件和第二电容件充电 至稳定值； 步骤2、断开第一开关和第二开关； 步骤3、利用测试仪表获取第一电容件和第二电容件串联时的阻抗曲线； 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振点之前的一测量频率为f的点，根据测试仪表测得的总 阻抗Z，计算得到待测电容的容抗Zc: 当所述第二电容件为第一电容件的结构性能相同的待测电容时，根据一级串联模型， 计算待测电容的容抗坑，测试仪表测得的总阻抗Z = 2Zc，则Z('=^Z;当所述第二电容件为已 知阻抗的电压源时，Zc = Z-Zs'，其中Zs'为已知电压源的阻抗，Z为测试仪表测得的总阻抗； 当所述第二电容件为参数已知的电容时，Zc = Z-Zc'，其中Zc'为已知电容的容抗，Z为测 试仪表测得的总阻抗； 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：(1) 其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率； 步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中谐振时的频率fo及幅值Zo,当容值为C的待测电容与 等效串联电感ESL并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感ESL和等效串联电阻ESR:步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。6. -种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:其包括直流稳压电源、测试仪表、 第一电容件、第一开关和第二开关，所述直流稳压电源的正极分别连接第一电容件的一端 直流稳压电源的负极通过第一开关连接第一电容件的另一端，所述测试仪表的一个端子通 过第二开关连接在第一开关的两端，测试仪表的另一个端子连接在第一开关的另一端，所 述第一电容件为待测电容;所述直流稳压电源为阻抗参数已知的电压源。7. 根据权利要求6所述一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:所述第一开关 为单刀单掷开关。8. 根据权利要求6所述一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:所述第二开关 为单刀单掷开关。9. 根据权利要求6所述一种电容的直流偏压特性测试电路，其特征在于:所述测试仪表 为LCR表或阻抗分析仪或网络分析仪。10. -种电容的直流偏压特性测试方法，应用于权利要求6所述电容的直流偏压特性测 试电路，其特征在于:其包括W下步骤： 步骤1、闭合第一开关，断开第二开关，利用直流稳压电源对第一电容件充电至稳定值； 步骤2、断开第一开关； 步骤3、开通第二开关，利用测试仪表获取第一电容件的阻抗曲线； 步骤4、从阻抗曲线中选取谐振频率前一测量频率为f的点，根据测试仪表测得的对应 的总阻抗Z，计算得到待测电容和直流源串联的容抗Zc; 具体本实施里中Zc = Z-Zs'，其中Zs'为已知电压源1的阻抗，Z为测试仪表测得的总阻 抗； 步骤5、计算待测电容的容值C，待测电容的容值C的计算公式如下：(1) 其中，Zc为待测电容的容抗，f为测量频率； 步骤6、从步骤3获取的阻抗曲线中找出谐振时的频率fo及幅值Z0,当容值为C的待测电 容与等效串联电感E化并联谐振时，阻抗最小，即可得出等效串联电感E化和等效串联电阻 ESR：步骤7、综合步骤4~6的公式即可得出待测电容的具体各项参数。
【文档编号】G01R31/00GK106093641SQ201610405716
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陈庆彬, 张伟豪, 陈为
【申请人】福州大学