CN105137246B - 重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试系统及方法。该系统包括充电电源和脉冲放电回路；其中，充电电源包括充电模块、防反模块和检测控制模块；充电模块中，三相交流电通过前级三相不控整流电路输出直流电压，并经过全桥逆变电路逆变为交流电压，然后通过高频变压器升压，再经过单相全桥整流电路将交流电压整流为直流电压输出。通过在充电模块中引入高频变压器，使得金属化膜脉冲电容器的充放电能获得较高的重复频率(0.1～100Hz)，从而有利于研究ms级脉冲放电领域的金属化膜脉冲电容器的寿命特性。

Description

重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试方法
技术领域
本发明属于脉冲电容器技术领域，更具体地，涉及一种重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试方法。
背景技术
脉冲功率技术起源于20世纪60年代初期，并在20世纪末得到迅速发展，是当代许多高新技术的重要技术基础之一。脉冲功率系统中储能方式主要有电容储能、电感储能和脉冲发电机储能等，其中最具代表性的是电容器储能，具有输出功率大、利用效率高、波形调制方便、组合灵活等特点。由于应用需求的牵引，脉冲功率系统正向着重复频率、小型化和长寿命的方向发展。相应地，脉冲功率系统对储能系统的要求为：高储能密度、长工作寿命和高可靠性。
金属化膜电容器具有储能密度高、可靠性高、使用寿命长等特点，在单次脉冲功率领域，多采用金属化膜电容器作为储能单元。重复频率脉冲功率是脉冲功率技术实用化发展的关键技术，重复频率脉冲功率系统一般要求电容器具有长达数百万次的寿命，而电容器在重复频率下的寿命主要受重复频率参数的影响，因此需要研究不同重复频率参数对电容器寿命特性的影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试系统及方法，有利于研究ms级脉冲放电领域的金属化膜脉冲电容器的寿命特性，同时能研究各个阶段的经历时间 (充电、保持、放电和间隔阶段)和重复频率对电容器寿命的影响。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试系统，其特征在于，包括充电电源和脉冲放电回路；其中，所述充电电源包括充电模块、防反模块和检测控制模块；所述充电模块中，三相交流电通过前级三相不控整流电路输出直流电压，并经过全桥逆变电路逆变为交流电压，然后通过高频变压器升压，再经过单相全桥整流电路将交流电压整流为直流电压输出；所述防反模块连接所述充电模块的输出端，用于防止金属化膜电容器放电时产生的反向电流流入所述充电模块；所述检测控制模块连接所述充电模块、所述防反模块和所述脉冲放电回路，用于对所述充电模块的单相全桥整流电路的直流侧电流取样，还用于对所述防反模块的输出电压取样，并判断取样电压是否达到阈值电压，是则向所述脉冲放电回路提供脉冲驱动信号使其连通。
优选地，所述脉冲放电回路由晶闸管T和续流二极管D反并联之后再与可变电感和可变电阻串联得到，其一端为所述晶闸管T的正极和所述续流二极管D的负极；所述检测控制模块连接所述晶闸管T的控制端，通过向所述晶闸管T的控制端提供脉冲驱动信号使所述晶闸管T导通，进而使所述脉冲放电回路连通。
优选地，测试时，所述脉冲放电回路中所述晶闸管T的正极所在的一端连接所述防反模块的高压输出端，所述脉冲放电回路的另一端接地；根据被测金属化膜电容器的电容量大小和脉冲放电波形的参数要求，调节所述可变电感和所述可变电阻。
按照本发明的另一方面，提供了一种用上述系统实现的金属化膜电容器的寿命测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据金属化膜电容器C放电的脉冲电流波形要求及其电容量，计算得到可变电感Ls的大小和可变电阻R的阻值；
(2)将金属化膜电容器C接在防反模块的输出端，并将其置于恒温恒湿箱中，将脉冲放电回路中晶闸管T的正极所在的一端连接防反模块的高压输出端，脉冲放电回路的另一端接地，用示波器对金属化膜电容器C的电压和脉冲放电回路的电流进行监测；
(3)设置恒温恒湿箱的温度和湿度，启动恒温恒湿箱，待温度、湿度达到设置值；
(4)设置阈值电压、金属化膜电容器C的充电时间、保持时间和放电时间，设置总脉冲放电次数为1；
(5)使金属化膜电容器C对可变电感Ls和可变电阻R进行一次充放电；
(6)根据示波器上的电压和电流波形，调节可变电感Ls和可变电阻R；
(7)重复以上步骤(5)和(6)，直到金属化膜电容器C的放电电压和电流波形满足要求为止；
(8)重新设置总脉冲放电次数为所需值，设置连续充放电时间和相邻两次连续充放电过程的间歇时间，使金属化膜电容器C连续进行充放电，测量金属化膜电容器C的电容量变化，得到其寿命值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)在充电模块中引入高频变压器，使得金属化膜脉冲电容器的充放电能获得较高的重复频率(最大为100Hz)，从而有利于研究ms级脉冲放电领域的金属化膜脉冲电容器的寿命特性。
(2)将充电模块、防反模块和检测控制模块统一整合为充电电源，电容器能方便地在充电电源的输出端进行更换，同时能方便地对实验参数进行控制。
附图说明
图1是本发明实施例的重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试系统的结构示意图；
图2是电容器的电容量变化与脉冲放电次数的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试系统包括充电电源和脉冲放电回路4。其中，脉冲放电回路4由晶闸管T和续流二极管D反并联之后再与可变电感和可变电阻串联得到，其一端为晶闸管T的正极和续流二极管D的负极。充电电源包括充电模块1、防反模块2和检测控制模块3。
充电模块1中，三相交流电通过前级三相不控整流电路输出直流电压，并经过全桥逆变电路(开关为IGBT)逆变为交流电压，然后通过高频变压器升压，再经过单相全桥整流电路将交流电压整流为直流电压输出。防反模块2连接充电模块1的输出端，用于防止金属化膜电容器放电时产生的反向电流流入充电模块1。检测控制模块3连接充电模块1、防反模块2和晶闸管T的控制端，用于对充电模块1的单相全桥整流电路的直流侧电流取样，还用于对防反模块2的输出电压取样，并判断取样电压是否达到阈值电压，是则向晶闸管T的控制端提供脉冲驱动信号使晶闸管T导通。
测试时，脉冲放电回路4中晶闸管T的正极所在的一端连接防反模块2 的高压输出端，脉冲放电回路4的另一端接地。根据被测金属化膜电容器的电容量大小和脉冲放电波形的参数要求，灵活调节可变电感和可变电阻。
用上述系统对金属化膜电容器进行寿命测试的方法包括如下步骤：
(1)根据金属化膜电容器C放电的脉冲电流波形要求及其电容量，计算得到可变电感Ls的大小和可变电阻R的阻值；
(2)将金属化膜电容器C接在防反模块2的输出端，并将其置于恒温恒湿箱中，将脉冲放电回路4中晶闸管T的正极所在的一端连接防反模块2的高压输出端，脉冲放电回路4的另一端接地，用示波器对金属化膜电容器C的电压和脉冲放电回路4的电流进行监测；
(3)设置恒温恒湿箱的温度和湿度，启动恒温恒湿箱，待温度、湿度达到设置值；
(4)设置阈值电压、金属化膜电容器C的充电时间、保持时间和放电时间，设置总脉冲放电次数为1；
(5)使金属化膜电容器C对可变电感Ls和可变电阻R进行一次充放电；
(6)根据示波器上的电压和电流波形，调节可变电感Ls和可变电阻R；
(7)重复以上步骤(5)和(6)，直到金属化膜电容器C的放电电压和电流波形满足要求为止；
(8)重新设置总脉冲放电次数为所需值，设置连续充放电时间和相邻两次连续充放电过程的间歇时间，使金属化膜电容器C连续进行充放电，测量金属化膜电容器C的电容量变化，得到其寿命值。
图2 为储能密度为0.3kJ/L的金属化膜电容器样品在10Hz的重复频率下，连续充放电时间为10s，相邻两次连续充放电过程的间歇时间为10s 时，电容量变化随脉冲放电次数的变化，由图2 可以看出，采用本发明的测试系统和方法能对金属化膜脉冲电容器在重复频率下的寿命特性进行有效测试。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种重复频率脉冲下的金属化膜电容器的寿命测试方法，其特征在于，应用于包括充电电源和脉冲放电回路的测试系统，其中，所述充电电源包括充电模块、防反模块和检测控制模块；所述充电模块中，三相交流电通过前级三相控制整流电路输出直流电压，并经过全桥逆变电路逆变为交流电压，然后通过高频变压器升压，再经过单相全桥整流电路将交流电压整流为直流电压输出；所述防反模块连接所述充电模块的输出端，用于防止金属化膜电容器放电时产生的反向电流流入所述充电模块；所述检测控制模块连接所述充电模块、所述防反模块和所述脉冲放电回路，用于对所述充电模块的单相全桥整流电路的直流侧电流取样，还用于对所述防反模块的输出电压取样，并判断取样电压是否达到阈值电压，是则向所述脉冲放电回路提供脉冲驱动信号使其连通，所述方法包括如下步骤：
(1)根据金属化膜电容器C放电的脉冲电流波形要求及其电容量，计算得到可变电感Ls的大小和可变电阻R的阻值；
(2)将金属化膜电容器C接在防反模块的输出端，并将其置于恒温恒湿箱中，将脉冲放电回路中晶闸管T的正极所在的一端连接防反模块的高压输出端，脉冲放电回路的另一端接地，用示波器对金属化膜电容器C的电压和脉冲放电回路的电流进行监测；
(3)设置恒温恒湿箱的温度和湿度，启动恒温恒湿箱，待温度、湿度达到设置值；
(4)设置阈值电压、金属化膜电容器C的充电时间、保持时间和放电时间，设置总脉冲放电次数为1；
(5)使金属化膜电容器C对可变电感Ls和可变电阻R进行一次充放电；
(6)根据示波器上的电压和电流波形，调节可变电感Ls和可变电阻R；
(7)重复以上步骤(5)和(6)，直到金属化膜电容器C的放电电压和电流波形满足要求为止；
(8)重新设置总脉冲放电次数为所需值，设置连续充放电时间和相邻两次连续充放电过程的间歇时间，使金属化膜电容器C连续进行充放电，测量金属化膜电容器C的电容量变化，得到其寿命值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述脉冲放电回路中，所述晶闸管T和续流二极管D反并联之后再与可变电感和可变电阻串联，所述脉冲放电回路的一端为所述晶闸管T的正极和所述续流二极管D的负极；所述检测控制模块连接所述晶闸管T的控制端，通过向所述晶闸管T的控制端提供脉冲驱动信号使所述晶闸管T导通，进而使所述脉冲放电回路连通。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在测试时，所述脉冲放电回路中所述晶闸管T的正极所在的一端连接所述防反模块的高压输出端，所述脉冲放电回路的另一端接地；根据被测金属化膜电容器的电容量大小和脉冲放电波形的参数要求，调节所述可变电感和所述可变电阻。
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