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一种智能电容器及其工作方法与流程

2020-11-17 9:41:44

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  本发明涉及低压电器技术领域,尤其涉及一种智能电容器及其工作方法。


  背景技术:


  现有广泛应用于低压直流滤波和电压支撑(dc-link)场合的大容值电容,如电解电容、薄膜电容等,在上电过程和正常工作时总是呈现良好的电容特性,始终保持很低的内阻。这样的特性对于正常工作时的直流滤波和电压支撑能起到很好的效果,但却会在上电时产生很大的浪涌电流,冲击前级电源和线路,带来严重的问题。


  目前为了解决并接了大容值电容的直流负载上电浪涌电流抑制问题,常在电源本身或供电接口处寻找解决方案,例如采用电源缓启动技术或供电线串接热敏电阻。这些浪涌电流抑制措施都需对不同情况开展针对性的设计,极大的增加了大容值电容应用的复杂度。


  此外,并联的多只电容如果任意一只出现短路故障,都会导致整个负载呈现不可恢复的短路特性,降低了可靠性。


  技术实现要素:


  本发明所要解决的技术问题是:提出一种用于直流储能和滤波的智能电容器,通过在传统电容器内集成少量低成本的无源器件,在不改变正常工作时的电容特性外,使其具备无上电浪涌电流、短路自动切除等新特性,并提供状态检测接口便于进行健康管理。


  本发明提供的一种智能电容器,包括供电正端1脚和供电负端2脚;


  还包括电阻r1、r2、r3和r4,稳压管d1和d2,电容c1和c2,场效应管q1、三极管q2和状态指示模块;


  所述电阻r1分别连接供电正端1脚和电容c1的正极及电阻r2、场效应管的栅极和三极管的集电极,所述电阻r2还与场效应管q1的源极和衬底、三极管q2的发射极及状态指示模块连接,并与稳压管d2和电容c2并联,所述三极管的基极与电阻r3连接,所述电阻r3还与稳压管d1的正极连接,所述稳压管d1还与场效应管q1的漏极、电阻r4和电容c1的负极连接,所述电阻r4通过状态指示模块连接供电负端2脚。


  更进一步的,还包括隔离状态检测接口3脚和4脚;


  所述状态指示模块为光耦e1,所述隔离状态检测接口3脚和4脚为光耦e1的两输出端。


  更进一步的,所述电容c1为500v/120uf、电阻r4=10kω、电阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、稳压管d1击穿电压20v、稳压管d2击穿电压12v及场效应管q1耐压500v,导通阻抗50mω。


  本发明还提供了一种包括上述智能电容器的电路结构,将所述智能电容器通过开关k接入直流供电电源,并在3脚外接5v电源,4脚外接电阻及扩展电路。


  本发明还提供了一种智能电容器的工作方法,包括


  上电时电阻r4限制电容c1的充电电流,并击穿稳压管d1;


  通过电阻r3使三极管q2饱和导通,短接场效应管的栅极和源极,并使其保持截止状态;


  当电阻r4两端的电压逐渐下降至无法击穿稳压管d1时,三极管q2将退出饱和状态,供电电源通过r1为电容c2充电,缓慢抬升场效应管q1的栅极电压,使其漏源两极缓慢导通,进一步降低r4两端的电压,从而形成正反馈使q1的漏源两极最终处于稳定导通状态;


  通过状态指示模块指示智能电容器的充电状态。


  更进一步的,所述状态指示模块指示智能电容器的充电状态具体包括,


  当智能电容器充电时,光耦e1的原边流过充电电流,使3脚和4脚呈现短接状态;


  当智能电容器完成充电时,光耦e1的原边不再导通,使3脚和4脚呈现开路状态;


  当智能电容器故障时,光耦e1的原边一直流过充电电流,使3脚和4脚始终呈现短接状态。


  更进一步的,所述电容c1为500v/120uf、电阻r4=10kω、电阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、稳压管d1击穿电压20v、稳压管d2击穿电压12v及场效应管q1耐压500v,导通阻抗50mω。


  通过采用以上的技术方案,本发明的有益效果是:通过在传统电容器内集成少量低成本的无源器件,使该智能电容器无上电浪涌电流,且具有短路自动切除和健康管理的特性,简化了直流储能和滤波应用的设计。此外,该新型电容无需控制,成本低,可靠性高,便于集成,具有很好的应用前景。


  附图说明


  本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:


  图1为本发明接口示意图和该智能电容器内部的电路原理图;


  图2为实施例1的电路图;


  图3为实施例1的仿真波形图。


  具体实施方式


  本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。


  本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。


  本发明提出的智能电容器的原理图如图1所示。左侧为智能电容器接口示意图,其中1脚和2脚为供电正端和负端,3脚和4脚为隔离状态检测接口。右侧为里面为原理图,引脚1~4号与左侧示意图相对应。


  本发明的工作流程如下:


  电容c1为大容量电容芯体,容值为智能电容器的额定容量。当引脚1和引脚2接入直流供电电源后,电阻r4会限制电容c1的充电电流,起到抑制上电浪涌电流的作用。此时光耦e1的原边流过充电电流,使得引脚3和引脚4状态检测端呈现短接状态,标识着智能电容器正在充电中。由于电阻r4两端的电压较高,将击穿稳压管d1,并通过电阻r3使三极管q2饱和导通,进而短接场效应管的栅极和源极,使其保持截止状态。


  随着电容c1的电压上升,电阻r4两端的电压逐渐下降,当其降低至无法击穿稳压管d1时,供电电源将通过r1为电容c2充电,使得场效应管q1的栅极电压缓慢抬升,漏源极也缓慢导通。这一过程会形成正反馈,使得电阻r4两端的电压进一步降低到零,远离稳压管d1的击穿电压。场效应管q1完全导通后,电容c1也完成充电,光耦e1的原边不再导通,使得引脚3和引脚4状态检测端呈现开路状态,标识着智能电容器完成充电。由于导通的场效应管阻抗很低,电容c1通过它接入供电电源不会影响其滤波和提供脉冲功率的性能。


  本发明的智能电容器一旦出现电容芯体c1短路,上电时的电源电压将全部由电阻r4分担,不会造成线路短路,具有良好的故障隔离效果。此时,智能电容器的状态检测端(状态指示模块)始终标识为充电状态,可为外部检测提供故障信息。


  此外,本发明提出的智能电容器还无上电浪涌电流,具有短路自动切除和健康管理等特性,简化了直流储能和滤波应用的设计,且该新型电容无需控制,成本低,可靠性高,便于集成,具有很好的应用前景。


  实施例1


  本发明的实施例1如图2所示,将智能电容器通过开关k接入直流供电电源。该实施例1的智能电容器参数配置如下:


  1)电容c1芯体为500v/120uf,电阻r4为10kω;


  2)电阻r1=200kω,r2=43kω,r3=100kω,c2=10uf。稳压管d1击穿电压20v,稳压管d2击穿电压12v。


  3)场效应管q1耐压500v,导通阻抗50mω。


  直流供电电压为270v,开关k在1s时刻闭合,通过仿真获得智能电容芯体c1电压、供电线路电流和状态检测脚4的电压波形如图3所示。从图3可知,闭合瞬间几乎不产生浪涌电流,同时智能电容芯体c1电压开始缓慢上升,状态指示信号发生跳变,指示正在充电。在接近4s时刻,智能电容芯体c1电压达到250v,引发里面场效应管动作导通。使得智能电容芯体c1电压迅速达到270v,在供电线路中产生较小的2a浪涌电流,状态指示信号同时发生跳变,指示充电结束。


  由此可见,本发明智能电容器达到了无上电浪涌电流的理想效果。


  上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例,但如前所述,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。


  技术特征:


  1.一种智能电容器,其特征在于:包括供电正端1脚和供电负端2脚;


  还包括电阻r1、r2、r3和r4,稳压管d1和d2,电容c1和c2,场效应管q1、三极管q2和状态指示模块;


  所述电阻r1分别连接供电正端1脚和电容c1的正极及电阻r2、场效应管的栅极和三极管的集电极,所述电阻r2还与场效应管q1的源极和衬底、三极管q2的发射极及状态指示模块连接,并与稳压管d2和电容c2并联,所述三极管的基极与电阻r3连接,所述电阻r3还与稳压管d1的正极连接,所述稳压管d1还与场效应管q1的漏极、电阻r4和电容c1的负极连接,所述电阻r4通过状态指示模块连接供电负端2脚。


  2.根据权利要求1所述的智能电容器,其特征在于:还包括隔离状态检测接口3脚和4脚;


  所述状态指示模块为光耦e1,所述隔离状态检测接口3脚和4脚为光耦e1的两输出端。


  3.根据权利要求1所述的智能电容器,其特征在于:所述电容c1为500v/120uf、电阻r4=10kω、电阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、稳压管d1击穿电压20v、稳压管d2击穿电压12v及场效应管q1耐压500v,导通阻抗50mω。


  4.一种包括如权利要求2所述的智能电容器的电路结构,其特征在于:将所述智能电容器通过开关k接入直流供电电源,并在3脚外接5v电源,4脚外接电阻。


  5.一种智能电容器的工作方法,其特征在于:包括


  上电时电阻r4限制电容c1的充电电流,并击穿稳压管d1;


  通过电阻r3使三极管q2饱和导通,短接场效应管的栅极和源极,并使其保持截止状态;


  当电阻r4两端的电压逐渐下降至无法击穿稳压管d1时,三极管q2将退出饱和状态,供电电源通过r1为电容c2充电,缓慢抬升场效应管q1的栅极电压,使其漏源两极缓慢导通,进一步降低r4两端的电压,从而形成正反馈使q1的漏源两极最终处于稳定导通状态;


  通过状态指示模块指示智能电容器的充电状态。


  6.根据权利要求5所述的智能电容器的工作方法,其特征在于:所述状态指示模块指示智能电容器的充电状态具体包括,


  当智能电容器充电时,光耦e1的原边流过充电电流,使3脚和4脚呈现短接状态;


  当智能电容器完成充电时,光耦e1的原边不再导通,使3脚和4脚呈现开路状态;


  当智能电容器故障时,光耦e1的原边一直流过充电电流,使3脚和4脚始终呈现短接状态。


  7.根据权利要求5所述的智能电容器的工作方法,其特征在于:所述电容c1为500v/120uf、电阻r4=10kω、电阻r1=200kω、r2=43kω、r3=100kω,c2=10uf、稳压管d1击穿电压20v、稳压管d2击穿电压12v及场效应管q1耐压500v,导通阻抗50mω。


  技术总结


  本发明公开了一种智能电容器及其工作方法,涉及低压电器技术领域,包括供电正端1脚和供电负端2脚;还包括电阻R1、R2、R3和R4,稳压管D1和D2,电容C1和C2,场效应管Q1、三极管Q2和状态指示模块;所述电阻R1连接供电正端1脚和电容C1的正极及电阻R2、场效应管的栅极和三极管的集电极,所述电阻R2还与场效应管Q1的源极和衬底、三极管Q2的发射极及状态指示模块连接,并与稳压管D2和电容C2并联,所述三极管的基极与电阻R3连接,所述电阻R3还与稳压管D1的正极连接,所述稳压管D1还与场效应管Q1的漏极、电阻R4和电容C1的负极连接,所述电阻R4通过状态指示模块连接供电负端2脚,使其无上电浪涌电流、具备短路自动切除等特性。


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