测量脉冲高压的高分压比快速响应电容分压器

1、测量脉冲高压的高分压比快速响应电容分压器S. Jayaram, X. Xu and J. D. CrossDepartment of Elec. &Comp. Eng.,University of Waterloo,Waterloo, Ontario, Canada摘要：该文叙述了一种测量脉冲高压的新型电容分压器的发展的实验结果。可以通过在商用 的硅晶片上热生长硅的氧化物来制造单位面积内电容很大的电容器的方法制作低压臂电容 器。利用基于低压臂电容器推荐设计，数量级10，000的分压比很容易获得。针对于提高 这种高分压比分压器响应时间的深入研究已经开始进行。I介绍在许多领域，高压、前陡波(陡峭前

2、缘波)、瞬态脉冲的测量已经得到了相 当大的注意，例如气体脉冲激光器、X射线脉冲发生器和电力系统中的瞬态l-3。 在高压测量系统中最重要的使用设备是分压器，电压等级在数十千伏特到数百千 伏特间变化。为了实用的目的，不仅分压比要非常高，同时分压器的频带也应达 到足够的宽度3。许多关于高压脉冲测量的研究已经开始并且多种分压器也得 到了发展。常规的线绕式电阻分压器的应用相对于脉冲电压是不实用的，因为杂 散电容和电阻元件的自我感应能够引起不良的共振和振铃。在纯粹的电阻分压器 中，如果在绝缘电子管中硫酸铜溶液(CuSO4 )作为电阻代替常见的线绕电阻，那 么电容影响可以被消除1,4,5。尽管硫酸铜溶液电阻

3、分压器已经被用于测量高频 瞬态响应，但是，分压比通常被限制在20-30 1,2。此外，在足够高的频率下， 表面效应必须考虑，因为大部分集中在表面的硫酸铜溶液影响分压比。设计合理的电容分压器可以提供大的分压比和快速响应时间3。如果这些 电容分压器被应用于电力系统中瞬态电压的测量，那么高压臂电容会被基于几何 学原理的导体电容()所代替。尽管0.5-5.0pF典型标准的高压臂电容很容易获得， 但是对于低压臂电容(C2)来说获得一个大型的非共振电容是一项非常困难的工 作。形成时伴随着一层覆盖在电极平面类似于聚酯薄膜的合成塑料薄片的低压臂 电容器可以提供一个范围为2-20nF的电容3。聚酯薄膜可以利用一

4、种特殊的粘 合剂和铜箔固定在电极平面上。制造如此高的电容仅需几微米厚度的聚酯薄膜。 尽管这种类型的分压器已经相继投入使用，但是处理这些薄片依旧非常困难。本 文描述了利用现有的半导体技术完成低压臂电容器设计的可能性。已经通过在商 用的硅晶圆上培育硅的氧化物制造单位面积内电容很大的电容器（大于100nF 的1m厚的氧化物可以形成直径10 的品圆）的方法来制备低压臂电容器。II .新型电容分压器A设计方向：在分压器的最初设计阶段，高压臂电容几种配置包括带有套管的金属压力 容器都被考虑过，但是，这样的设计均因为太大而不便于操作并且遭受自感应和 杂散电容的问题。最终的设计包括一个包裹着高压臂和低压臂电容

5、器的圆柱体结 构的树脂玻璃。电极的装配见图.1。上面的可调间距的两个电极构成高压臂电容 器。下面的以SiO2作为绝缘介质的两个电极构成低压臂电容器。分压器通过一 系列内置于分压器终端（ST）连接在高阻抗高宽频的测量装置（示波器）（见图.1）。 连接分压器和示波器的电缆线必须尽可能短来保持环形电感的最小化。图.1图示为新型电容分压器的电极装配ST：系列终端q：高压臂电容c2:高压臂电容B低压臂电容器的介绍当前分压器的低压臂电容器所用的电介质是一薄层二氧化硅（SiO2）。2 pm 厚的二氧化硅层在硅晶圆上热生长.商用的重掺的硅品圆（硅基质；N1,1,1；0.001-0.007Q-cm； P-硼；3

6、0mm直径）均用于此目的。重掺硅品圆用来 提高分压器的响应时间。滑铁卢大学的半导体实验室在硅基质上培育SiO2层。以精煤为基础的过氧化 氢被用来清洁晶片表面。氧化在1100。的条件下大约500分钟培育出2pm厚的二 氧化硅层。考虑到氧化层已经生成意味着在1100C条件下渗氮退火60分钟.通过 金属喷镀的方法，晶片的两面都被1.2pm厚的铝覆盖着。晶圆在450C条件下烧 结15分钟是为了与硅基质保持良好的欧姆接触。高达50V时测试品圆无电流通过。 带着2pm厚氧化层的这种分压器将会有大于10 nF,晶圆直径30 mm的电容。因为 这种低压臂电容如此之大，所以它可能获得非常高的分压比（10,000

7、或者更高）。 高压臂电容的电介质强度可以通过调整电极间距d或气压P或者两者同时调整获C.分压器的脉冲测量性能:标准的脉冲发生器被用来测试新型分压器的性能。实验装置的框图见图3。 通过独立的测量C1和。2的电容可以计算出分压比KC1和。2的测量值分别是1.0pF 和10.5nF。通过测量多量级脉冲确定分压比。对于q,精选3.2cm的电极间距，可 以获得2650的分压比，并且这个分压比在测量电压范围内保持不变。图3.脉冲测量框图新型分压器的测量波形见图4。图中也显示了与标准脉冲分压器（分压比1500 ）测量波形的对比（上部的轨迹）r 111 i 111| | iIa，h， | 顷 I 11 i 1

8、 u(a)X轴：响应时间每格2.5 sX轴：响应时间每格1.0 s图4.脉冲电压波形；上部轨迹:新型分压器测量下部轨迹：标准分压器测量正如图中波形显示，新型分压器响应时间非常好；然而图4波形前部的一些 震荡值得注意。由于低压臂电容非常大，所以即便一个小到1-2H级别的电感也 能引起一个大的震荡。同样，因为分压比几乎是标准脉冲分压器的二倍，并且这 条轨迹在一个更加敏感的范围内，因此震荡已经被放大到一个更大的程度。连接 于脉冲发生器和分压器间的阻尼电阻（Rd）有助于降低震荡。总之，提及的分压器设计有其实用性，因为它的电容大小、相对高的分压比、 快速响应时间以及基于脉冲电压测量的高压电容的研究。感谢

9、作者很感激R. Grant和A.Cervin-Lawry先生在低压臂电容器准备方面给予 他们的帮助，以及和S. A. Boggs教授的有益讨论。工作得到了加拿大自然科学工 程研究理事会的支持。参考文献1Z. Y. Lee, Subnanosecond high-voltage two-stage resistive divider, Rev. Sei. Instrum. vol. 54, pp, 1060-1062, Aug, 1983. D. M. Barret, S. R. Byron, E. A. Crawford, D. H. Ford, W. D. Kimura and M. J.

10、Kusher, Low inductance capacitive probe for spark gap voltage measurements, Rev. Sci. Instrum. vol. 56, pp. 2111-2115, Nov. 1985.S. A. Boggs and N. Fujimoto, “Techniques and instrumentation for measurement of transient in gas-insulated switchgear”，IEEE Trans. EI-19, pp. 87-92, Apl. 1984.Z. Y. Lee, “Improved CuSOq HV pulse divider”，Rev. Sci