李文兴，成海鸥，朱鑫彦（陕西华星电子开发有限公司，陕西咸阳，712099）



高压（VDC≤3kV）下测量陶瓷电容器电容量的装置

李文兴，成海鸥，朱鑫彦
（陕西华星电子开发有限公司，陕西咸阳，712099）

为了满足陶瓷电容器在高电压（直流）状态下（VDC≤3kV）进行实际电容量测试的需要，设计了一种高压下（VDC≤3kV）测试陶瓷陶瓷电容器电容量的简易装置。结果表明，该测量装置在测量陶瓷圆板电容器和陶瓷片式多层电容器电容量时，施加直流电压不大于3kV时由于大电容的隔直效果好，容量测试的误差小，满足实际需要。

陶瓷电容器；电容量；高直流电压；容量测试仪

1　测量装置需求背景

电容器是电子元器件中最大的家族之一，而陶瓷电容器（单层园板陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器）又占到整个电容器家族60%以上的份额。陶瓷电容器应用在电源电路中以实现旁路、去耦、滤波和储能的作用；应用于信号电路中主要完成耦合、振荡、同步及调整时间常数的作用。

随着陶瓷电容器应用领域的不断拓展，制造者和使用方经常会寻求陶瓷电容器在加上直流电压时（实际线路中电压在0～3kV内的居多）的容量值。

2　测试装置原理说明

本文采用一只已知大电容与被测电容串联，大电容能够隔断直流使电容测试仪正常工作而测出回路的总电容，再通过两个串联电容总容量的计算公式间接得出被测电容的电容量。例如采用大电容的电容量为C0，被测电容容量为Cx，那么回路总电容，其中C0为已知，Cn可以正常测出，Cx即可求出。该装置在实际制作中，已知电容C0››Cx时，仪表读出的总容量值就近似等于被测的电容值（即Cn≈Cx）。通过此方法测出的在线容量直误差可以控制在± 2%左右。

3　测试装置实现过程

本文采用的已知大电容为高压、复合介质脉冲电容器CHM，额定电压为DC 5kV（远大于3KV的使用电压），具有正的温度系数（电容器的电容量随着温度的升高而增加，这在实际使用中特别有利于降低电容量的测试误差，因为容量越大隔直效果越好）、而电压系数为0，且自愈性好。按以上方案制作的在线容量测试装置，对于陶瓷电容器（圆板式pF级别、片式多层nF级别）在高压直流状态下进行测试是适合的，其实测值（直接读出）与其真值（标准仪表测试值）的误差在± 2%之内（实际使用中陶瓷电容器的误差等级分别为 ±5%、10%、±20%和0 ~ +100%），所以± 2%之内的误差是可以接受的，尤其相对于以前只能定性的预估偏压电容量的大小更是如此。

3.1该装置的线路原理图

该种研究装置的电路结构图如图1所示，包括高压电源、容量测试仪、被测陶瓷电容器Cx、控制单元、放电回路、保护回路以及隔直流大电容C0，高压电源1提供0~3kV直流高压施加在被测电容Cx的两端，具体电压值（0~3kV范围内）根据测试需要通过高压电源输出。隔离电容C0与被测电容Cx串接构成串联回路，回路电容Cn可由容量测试仪直接读出，当C0››Cx时，回路电容的容量值Cn约等于被测电容的容量值Cx。

图1　该装置的电路结构图

1. 高压电源，2. 容量测试仪，3. 控制单元，4. 放电回路，5. 保护回路

容量测试仪的两个输入端并接有保护回路以保证容量测试仪两端的电压不得高于5V（DC），该装置的保护线路图如图2所示：

图2　该装置的保护线路图

测试结束后由控制单元控制继电器通过放电回路对被测电容CX两端放电泄放掉已存储的电能；所述的保护线路由两只二极管D1、D2反并联，同时并联一个瞬态二极管TVS，所述的二极管D1、D2为两只肖特基二极管HER607。

放电回路选用高压继电器KM1和串接泄放电阻R构成放电回路，其放电回路电路图如图3所示：

图3　该装置的放电回路电路图

文中的控制单元由开关电源、定时器以及控制继电器组成，控制继电器的两端分别连接高压电源和放电回路，具体的控制单元示意图如图4所示：

图4　该装置的控制单元示意图

注：6. 开关电源，7. 定时器，8. 控制继电器

本文所述的隔直流大电容C0最佳范围值为1.1μF≤C01≤1μF，具体分档的最佳范围为：

园板电容测试时大电容CHM选择范围为：1.1μF≤C0≤4.7μF （被测电容量范围1pF～10000pF）；

片式电容测试时大电容 CHM选择范围为：4.7μ＜ C0≤11μF（被测电容量范围10nF～100nF）。

3.2该装置的主要部件及元器件要求

容量测试仪：安捷伦（Agilent）4263B

高压直流电源：HV～502P200

保护线路：主要是保护容量测试仪不能有高电压的冲击，可靠的将测试仪表测试端电压箝位在5VDC以下，保护电容测试仪不受高电压的冲击。

放电回路：选用高压继电器和串接泄放电阻构成放电回路。

控制单元：控制单元由开关电源、定时器（测试时间的设定）以及控制继电器组成。

3.3该装置的测试实验过程与结果

该测试实验过程中使用的已知串联大电容C0选择 CHM 三个规格的电容器（额定电压均为5KV， 电容量分别为1.1μF、4.7μF 和11μF）；被测电容CX选择CHM两个规格的电容器（额定电压均为3KV， 电容量分别为10nF和100nF）用作测试误差的确认（被测电容也选择CHM电容的原因在于它的静电容量值和偏压容量值相同）；被测电容最后选用Ⅱ类陶瓷材料园板电容器3KV2200pF（电压系数＜ 0）和反铁电材料制作的片式电容器3KV 50nF（电压系数＞ 0）用作两个测试档位测试结果的验证。

测试电压取最高值3KV，被测容量选最高值10nF和100nF.

1）陶瓷圆板电容器范围测试档位（1pF～10000pF即0.001nF～10nF）；

实施例（1）：被测电容规格 3kV-10000 pF，3kV下测试。

选 C01CHM 1.1μF（1100NF）时

Cx真值（标准仪表测试值）为10000pF（10nF），本装置实测值为9911 pF

则Cn1和Cx相差比

实施例（2）：被测电容规格 3kV-10000 pF，3kV下测试。

选C02CHM 为4.7μF（4700nF）时

Cx为真值为10000pF（10nF），本装置实测值为9986 pF

回路总电容理论值Cn2为9978pF

则Cn2和Cx相差比δ为0.22%

若被测电容Cx＜10000pF时，Cn和Cx的相差值会更小。

2）陶瓷片式多层电容器范围测试档位（10nF～100nF）

实施例（3）：被测电容规格 3kV-100nF，3kV下测试。

选C03CHM 为4.7μF（4700nF）时，

Cx真值为100nF，本装置实测值为97.955nF

回路总电容理论值Cn3为97.916nF

则Cn3和Cx相差比δ为2%

实施例（4）：被测电容规格 3kV-100nF，3kV下测试。

选C04CHM 为11μF（11000nF）时

Cx真值为100nF，本装置实测值为99.133nF

回路总电容理论值Cn4为99.099nF

则Cn4和Cx相差比δ为0.9%

若被测量Cx＜100 nF时，Cn和Cx的相差值还会更小。

需要特别说明的是：实施例中实际测出的容量值与上面的回路总电容理论值会保持有2.0%左右（最大值2.2%）的误差，另一方面，当施加电压小于3kV进行测试时大电容阻隔直流的效果会更强，误差值也会相应地变得更小，效果会更好。

4　结论

该在线容量测试装置，当被测陶瓷电容器的容量值在1pF～10000pF（10nF） ～100000pF（100 nF）之 间（几 乎 是两大类陶瓷电容器的全容量范围覆盖）时，已知大电容选用1.1μF~4.7μF和4.7μF~11μF两个档位就能成功实现在线容

量测试（VDC≤ 3kV），且测出的容量与实际值相差≤ ±2%。

［1］ GB/T 2693-2001，电子设备用固定电容器，第1部分：总规范，2001-11-02 发布， 2002-05-01实施，中华人民共和国，国家质量监督检验检疫总局发布［S］.

［2］ GB/T 14472-1998，电子设备用固定电容器，第14部分：分规范，1998-01-19发布，1998-09-01实施，国家技术监督局发布［S］.

［3］ 陈永真，李锦.电容器手册［M］.科学出版社，2008.

［4］ 弗朗索瓦，张治安. 超级电容器：材料、系统及应用［M］.机械工业出版社，2014.10.20

［5］ 三宅和司［日］.电子元器件的选择与应用［M］.张秀琴，译.科学出版社，2005.

［6］ 王建，张文凡，张凯.常用电工线路选萃［M］. 河南科学技术出版社，2012.4.1.

李文兴（1963.1.3-），陕西省扶风县人，高级工程师，学士。研究方向：电子材料与器件。

High pressure （VDC = 3kV） for measuring ceramic capacitor capacitance

Li Wenxing，Cheng Haiou，Zhu Xinyan
（SHAANXI HUAXING ELECTRONIC GROUP Co. Ltd，Xianyang Shaanxi，712099）

In order to meet the ceramic capacitors in the state of high voltage（DC）（VDC is less than or equal to 3KV） for the needs of the actual capacitance test design under a high voltage（VDC is less than or equal to 3KV）test ceramic capacitor capacitance of simple device.The results show that the measuring device in measuring the ceramic disk capacitor and chip ceramic multilayer capacitor， a DC voltage is applied，not more than 3KV due to high capacitance DC blocking effect is good，capacity test error is very small to meet actual needs.

ceramic capacitor；capacitance；high DC voltage；capacity measuring instrument