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                        一種智能電容器及其工作方法與流程

                        發布于:2020-09-08 10:55:30

                          本發明涉及低壓電器技術領域,尤其涉及一種智能電容器及其工作方法。


                          背景技術:


                          現有廣泛應用于低壓直流濾波和電壓支撐(dc-link)場合的大容值電容,如電解電容、薄膜電容等,在上電過程和正常工作時總是呈現良好的電容特性,始終保持很低的內阻。這樣的特性對于正常工作時的直流濾波和電壓支撐能起到很好的效果,但卻會在上電時產生很大的浪涌電流,沖擊前級電源和線路,帶來嚴重的問題。


                          目前為了解決并接了大容值電容的直流負載上電浪涌電流抑制問題,常在電源本身或供電接口處尋找解決方案,例如采用電源緩啟動技術或供電線串接熱敏電阻。這些浪涌電流抑制措施都需對不同情況開展針對性的設計,極大的增加了大容值電容應用的復雜度。


                          此外,并聯的多只電容如果任意一只出現短路故障,都會導致整個負載呈現不可恢復的短路特性,降低了可靠性。


                          技術實現要素:


                          本發明所要解決的技術問題是:提出一種用于直流儲能和濾波的智能電容器,通過在傳統電容器內集成少量低成本的無源器件,在不改變正常工作時的電容特性外,使其具備無上電浪涌電流、短路自動切除等新特性,并提供狀態檢測接口便于進行健康管理。


                          本發明提供的一種智能電容器,包括供電正端1腳和供電負端2腳;


                          還包括電阻r1、r2、r3和r4,穩壓管d1和d2,電容c1和c2,場效應管q1、三極管q2和狀態指示模塊;


                          所述電阻r1分別連接供電正端1腳和電容c1的正極及電阻r2、場效應管的柵極和三極管的集電極,所述電阻r2還與場效應管q1的源極和襯底、三極管q2的發射極及狀態指示模塊連接,并與穩壓管d2和電容c2并聯,所述三極管的基極與電阻r3連接,所述電阻r3還與穩壓管d1的正極連接,所述穩壓管d1還與場效應管q1的漏極、電阻r4和電容c1的負極連接,所述電阻r4通過狀態指示模塊連接供電負端2腳。


                          更進一步的,還包括隔離狀態檢測接口3腳和4腳;


                          所述狀態指示模塊為光耦e1,所述隔離狀態檢測接口3腳和4腳為光耦e1的兩輸出端。


                          更進一步的,所述電容c1為500v/120uf、電阻r4=10kω、電阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、穩壓管d1擊穿電壓20v、穩壓管d2擊穿電壓12v及場效應管q1耐壓500v,導通阻抗50mω。


                          本發明還提供了一種包括上述智能電容器的電路結構,將所述智能電容器通過開關k接入直流供電電源,并在3腳外接5v電源,4腳外接電阻及擴展電路。


                          本發明還提供了一種智能電容器的工作方法,包括


                          上電時電阻r4限制電容c1的充電電流,并擊穿穩壓管d1;


                          通過電阻r3使三極管q2飽和導通,短接場效應管的柵極和源極,并使其保持截止狀態;


                          當電阻r4兩端的電壓逐漸下降至無法擊穿穩壓管d1時,三極管q2將退出飽和狀態,供電電源通過r1為電容c2充電,緩慢抬升場效應管q1的柵極電壓,使其漏源兩極緩慢導通,進一步降低r4兩端的電壓,從而形成正反饋使q1的漏源兩極最終處于穩定導通狀態;


                          通過狀態指示模塊指示智能電容器的充電狀態。


                          更進一步的,所述狀態指示模塊指示智能電容器的充電狀態具體包括,


                          當智能電容器充電時,光耦e1的原邊流過充電電流,使3腳和4腳呈現短接狀態;


                          當智能電容器完成充電時,光耦e1的原邊不再導通,使3腳和4腳呈現開路狀態;


                          當智能電容器故障時,光耦e1的原邊一直流過充電電流,使3腳和4腳始終呈現短接狀態。


                          更進一步的,所述電容c1為500v/120uf、電阻r4=10kω、電阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、穩壓管d1擊穿電壓20v、穩壓管d2擊穿電壓12v及場效應管q1耐壓500v,導通阻抗50mω。


                          通過采用以上的技術方案,本發明的有益效果是:通過在傳統電容器內集成少量低成本的無源器件,使該智能電容器無上電浪涌電流,且具有短路自動切除和健康管理的特性,簡化了直流儲能和濾波應用的設計。此外,該新型電容無需控制,成本低,可靠性高,便于集成,具有很好的應用前景。


                          附圖說明


                          本發明將通過例子并參照附圖的方式說明,其中:


                          圖1為本發明接口示意圖和該智能電容器內部的電路原理圖;


                          圖2為實施例1的電路圖;


                          圖3為實施例1的仿真波形圖。


                          具體實施方式


                          本說明書中公開的所有特征,或公開的所有方法或過程中的步驟,除了互相排斥的特征和/或步驟以外,均可以以任何方式組合。


                          本說明書中公開的任一特征,除非特別敘述,均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即,除非特別敘述,每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。


                          本發明提出的智能電容器的原理圖如圖1所示。左側為智能電容器接口示意圖,其中1腳和2腳為供電正端和負端,3腳和4腳為隔離狀態檢測接口。右側為里面為原理圖,引腳1~4號與左側示意圖相對應。


                          本發明的工作流程如下:


                          電容c1為大容量電容芯體,容值為智能電容器的額定容量。當引腳1和引腳2接入直流供電電源后,電阻r4會限制電容c1的充電電流,起到抑制上電浪涌電流的作用。此時光耦e1的原邊流過充電電流,使得引腳3和引腳4狀態檢測端呈現短接狀態,標識著智能電容器正在充電中。由于電阻r4兩端的電壓較高,將擊穿穩壓管d1,并通過電阻r3使三極管q2飽和導通,進而短接場效應管的柵極和源極,使其保持截止狀態。


                          隨著電容c1的電壓上升,電阻r4兩端的電壓逐漸下降,當其降低至無法擊穿穩壓管d1時,供電電源將通過r1為電容c2充電,使得場效應管q1的柵極電壓緩慢抬升,漏源極也緩慢導通。這一過程會形成正反饋,使得電阻r4兩端的電壓進一步降低到零,遠離穩壓管d1的擊穿電壓。場效應管q1完全導通后,電容c1也完成充電,光耦e1的原邊不再導通,使得引腳3和引腳4狀態檢測端呈現開路狀態,標識著智能電容器完成充電。由于導通的場效應管阻抗很低,電容c1通過它接入供電電源不會影響其濾波和提供脈沖功率的性能。


                          本發明的智能電容器一旦出現電容芯體c1短路,上電時的電源電壓將全部由電阻r4分擔,不會造成線路短路,具有良好的故障隔離效果。此時,智能電容器的狀態檢測端(狀態指示模塊)始終標識為充電狀態,可為外部檢測提供故障信息。


                          此外,本發明提出的智能電容器還無上電浪涌電流,具有短路自動切除和健康管理等特性,簡化了直流儲能和濾波應用的設計,且該新型電容無需控制,成本低,可靠性高,便于集成,具有很好的應用前景。


                          實施例1


                          本發明的實施例1如圖2所示,將智能電容器通過開關k接入直流供電電源。該實施例1的智能電容器參數配置如下:


                          1)電容c1芯體為500v/120uf,電阻r4為10kω;


                          2)電阻r1=200kω,r2=43kω,r3=100kω,c2=10uf。穩壓管d1擊穿電壓20v,穩壓管d2擊穿電壓12v。


                          3)場效應管q1耐壓500v,導通阻抗50mω。


                          直流供電電壓為270v,開關k在1s時刻閉合,通過仿真獲得智能電容芯體c1電壓、供電線路電流和狀態檢測腳4的電壓波形如圖3所示。從圖3可知,閉合瞬間幾乎不產生浪涌電流,同時智能電容芯體c1電壓開始緩慢上升,狀態指示信號發生跳變,指示正在充電。在接近4s時刻,智能電容芯體c1電壓達到250v,引發里面場效應管動作導通。使得智能電容芯體c1電壓迅速達到270v,在供電線路中產生較小的2a浪涌電流,狀態指示信號同時發生跳變,指示充電結束。


                          由此可見,本發明智能電容器達到了無上電浪涌電流的理想效果。


                          上述說明示出并描述了本發明的一個優選實施例,但如前所述,應當理解本發明并非局限于本文所披露的形式,不應看作是對其他實施例的排除,而可用于各種其他組合、修改和環境,并能夠在本文所述發明構想范圍內,通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍,則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。


                          技術特征:


                          1.一種智能電容器,其特征在于:包括供電正端1腳和供電負端2腳;


                          還包括電阻r1、r2、r3和r4,穩壓管d1和d2,電容c1和c2,場效應管q1、三極管q2和狀態指示模塊;


                          所述電阻r1分別連接供電正端1腳和電容c1的正極及電阻r2、場效應管的柵極和三極管的集電極,所述電阻r2還與場效應管q1的源極和襯底、三極管q2的發射極及狀態指示模塊連接,并與穩壓管d2和電容c2并聯,所述三極管的基極與電阻r3連接,所述電阻r3還與穩壓管d1的正極連接,所述穩壓管d1還與場效應管q1的漏極、電阻r4和電容c1的負極連接,所述電阻r4通過狀態指示模塊連接供電負端2腳。


                          2.根據權利要求1所述的智能電容器,其特征在于:還包括隔離狀態檢測接口3腳和4腳;


                          所述狀態指示模塊為光耦e1,所述隔離狀態檢測接口3腳和4腳為光耦e1的兩輸出端。


                          3.根據權利要求1所述的智能電容器,其特征在于:所述電容c1為500v/120uf、電阻r4=10kω、電阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、穩壓管d1擊穿電壓20v、穩壓管d2擊穿電壓12v及場效應管q1耐壓500v,導通阻抗50mω。


                          4.一種包括如權利要求2所述的智能電容器的電路結構,其特征在于:將所述智能電容器通過開關k接入直流供電電源,并在3腳外接5v電源,4腳外接電阻。


                          5.一種智能電容器的工作方法,其特征在于:包括


                          上電時電阻r4限制電容c1的充電電流,并擊穿穩壓管d1;


                          通過電阻r3使三極管q2飽和導通,短接場效應管的柵極和源極,并使其保持截止狀態;


                          當電阻r4兩端的電壓逐漸下降至無法擊穿穩壓管d1時,三極管q2將退出飽和狀態,供電電源通過r1為電容c2充電,緩慢抬升場效應管q1的柵極電壓,使其漏源兩極緩慢導通,進一步降低r4兩端的電壓,從而形成正反饋使q1的漏源兩極最終處于穩定導通狀態;


                          通過狀態指示模塊指示智能電容器的充電狀態。


                          6.根據權利要求5所述的智能電容器的工作方法,其特征在于:所述狀態指示模塊指示智能電容器的充電狀態具體包括,


                          當智能電容器充電時,光耦e1的原邊流過充電電流,使3腳和4腳呈現短接狀態;


                          當智能電容器完成充電時,光耦e1的原邊不再導通,使3腳和4腳呈現開路狀態;


                          當智能電容器故障時,光耦e1的原邊一直流過充電電流,使3腳和4腳始終呈現短接狀態。


                          7.根據權利要求5所述的智能電容器的工作方法,其特征在于:所述電容c1為500v/120uf、電阻r4=10kω、電阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、穩壓管d1擊穿電壓20v、穩壓管d2擊穿電壓12v及場效應管q1耐壓500v,導通阻抗50mω。


                          技術總結


                          本發明公開了一種智能電容器及其工作方法,涉及低壓電器技術領域,包括供電正端1腳和供電負端2腳;還包括電阻R1、R2、R3和R4,穩壓管D1和D2,電容C1和C2,場效應管Q1、三極管Q2和狀態指示模塊;所述電阻R1連接供電正端1腳和電容C1的正極及電阻R2、場效應管的柵極和三極管的集電極,所述電阻R2還與場效應管Q1的源極和襯底、三極管Q2的發射極及狀態指示模塊連接,并與穩壓管D2和電容C2并聯,所述三極管的基極與電阻R3連接,所述電阻R3還與穩壓管D1的正極連接,所述穩壓管D1還與場效應管Q1的漏極、電阻R4和電容C1的負極連接,所述電阻R4通過狀態指示模塊連接供電負端2腳,使其無上電浪涌電流、具備短路自動切除等特性。




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