CN106604427A

CN106604427A - 一种石墨电阻

Info

Publication number: CN106604427A
Application number: CN201610943617.6A
Authority: CN
Inventors: 饶波; 吉新科; 丁永华; 严民雄
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: CN106604427B

Abstract

本发明公开了一种石墨电阻。所述石墨电阻包括平行设置的石墨棒阵列，所述石墨棒阵列包括第一石墨棒、第二石墨棒、…、以及第N石墨棒；第i－1石墨棒与第i石墨棒相邻设置，且在同端以导电装置相连，使得第一石墨棒、第二石墨棒、…、以及第N石墨棒依序串联，且每根石墨棒及与其相邻的石墨棒的电流方向均不同，N为石墨棒的根数，i为1～N－1的任意整数。本发明利用串联的石墨棒作为电阻，以减小电阻的整体体积，同时减少寄生电感值。

Description

一种石墨电阻

技术领域

本发明属于电阻技术领域，更具体地，涉及一种石墨电阻。

背景技术

大功率电源的输出电流为数千安，用以驱动负载线圈。因此，在大功率电源的开关关断时，负载线圈上的能量需要一个回路，通过泄放电阻将其消耗完全。而寄生电感的存在对泄放电阻的泄放能力具有阻碍的作用。因此该电阻需要具有几百毫欧电阻值的同时，寄生电感小于百纳亨级别，同时，瞬时功率要达到几十千瓦级别。

现有技术通常采用绕线线圈作为电阻进行能量泄放，通过100根金属绕线电阻的进行串并联作为泄放电阻，满足需求的电阻值。绕线电阻的功率满足了要求，但是金属丝缠绕的绕线电阻寄生电感较高，使得泄放电阻整体电感值达到了1.5微亨以上，从而引起IGBT开关管出现很高的尖峰电压，限制了电源的输出电流提高；同时数百根的金属绕线电阻整体具有较大体积，占用了电源柜的一半空间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种石墨电阻，其目的在于利用串联的石墨棒作为电阻，以减小电阻的整体体积，同时减少寄生电感值。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种石墨电阻，包括平行设置的石墨棒阵列，所述石墨棒阵列包括第一石墨棒、第二石墨棒、…以及第N石墨棒；第i－1石墨棒与第i石墨棒相邻设置，且在同端以导电装置相连，使得第一石墨棒、第二石墨棒、…以及第N石墨棒依序串联，且每根石墨棒及与其相邻的石墨棒的电流方向均不同，N为石墨棒的根数，N≥3，i为2～N的任意整数。

优选地，所述石墨电阻的电阻值为0.6Ω～1Ω，电感值小于0.5μH。

优选地，所述石墨棒阵列中石墨棒的间距小于5mm，以减小石墨电阻整体的寄生电感。

优选地，所述石墨棒的根数N为4～35。

优选地，所述石墨棒阵列的行数为两行。

优选地，所述石墨电阻还包括绝缘基板，其分别为第一绝缘基板、第二绝缘基板、…以及第M－1绝缘基板；所述石墨棒阵列的第j－1行以及第j行分别固定于第j－1绝缘基板的上表面以及下表面，j为2～M的任意整数，石墨棒阵列的行数M≥2。

作为进一步优选地，所述绝缘基板的导热率大于20W/(m·k)，以保证石墨电阻在工作时易于散热。

作为更进一步优选地，所述绝缘基板的材料为氧化铝陶瓷。

作为进一步优选地，所述绝缘基板的上表面和下表面设置有与所述石墨棒配合的基板挖槽，用于使石墨棒阵列的固定更加牢固，同时使得石墨棒阵列的第j－1行以及第j行之间的间距减小，以减少石墨电阻的寄生电感。

优选地，所述导电装置为铜片。

优选地，所述石墨棒与导电装置的连接处的石墨棒表面镀有铜膜或银膜。

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，具有下列有益效果：

1、石墨棒具有较大的电阻率，同时具有较小的寄生电感，将其串联作为泄放电阻，使得整体结构更加紧凑，增加了空间利用率；

2每根石墨棒与其相邻的石墨棒距离都小于5mm并且电流流向也不相同，通过石墨棒之间的互感作用进一步减小了泄放电阻的寄生电感；

3、石墨材料具有耐高温特性，能满足研究磁流体不稳定性的供电电源中近百千瓦功率的要求，增加了石墨电阻的泄放能力以及使用寿命；

4、利用绝缘基板对石墨棒进行固定，保证石墨棒稳固固定的同时，仍能维持石墨棒之间的较小的间距，增加了石墨电阻的机械稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例1所用的石墨棒示意图；

图2为本发明实施例1连接方式及电流流向示意图；

图3为本发明实施例1电流流向示意图；其中，数字1-1～1-12分别表示12根石墨棒，箭头表示电流方向；

图4为本发明实施例1石墨电阻的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例1石墨电阻的仰视结构示意图；

图6为本发明实施例1的基板示意图；

图7是本发明实施例1的应用电路原理图，其中R1表示石墨电阻；

图8为本发明实施例2连接方式及电流流向示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-石墨棒，2-基板，3,4-绝缘支架，5～8-铜片。

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。

本发明提供了一种石墨电阻，包括平行设置的石墨棒阵列，所述石墨棒阵列包括第一石墨棒、第二石墨棒、…以及第N石墨棒；第i－1石墨棒与第i石墨棒相邻设置，且在同端以导电装置相连，使得第一石墨棒、第二石墨棒、…以及第N石墨棒依序串联，N为石墨棒的根数，i为2～N的任意整数，所述石墨棒阵列中石墨棒的间距小于5mm，且每根石墨棒及与其相邻的石墨棒的电流方向均不同，以减小石墨电阻的寄生电感值；所述石墨电阻的电阻值为0.6Ω～1Ω，电感值小于0.5μH。

石墨电阻的电阻值为其中，ρ为石墨棒的电阻率，l为单根石墨棒的长度，S为石墨棒的横截面积，N为石墨棒的根数；由于石墨的电阻率为8μΩ/m～25μΩ/m，单根石墨棒的长度为200mm～350mm，石墨棒的横截面积为50mm²～150mm²，石墨电阻的电阻值为0.6Ω～1Ω；根据可知，石墨棒的根数N约为4～35。

所述石墨棒阵列的行数通常与石墨棒的数量有关，当石墨棒的根数较多，为保证石墨电阻整体的体积，可增加石墨棒阵列的行数；但每根石墨棒及与其相邻的石墨棒的电流方向均不同，因此每根石墨棒及与其间隔为1的石墨棒的电流方向必然相同，当行数超过两行，同一列上每根石墨棒及与其间隔为1的石墨棒反而由于有着相同的电流方向从而增加石墨电阻的寄生电感，因此当N≤15时，通常将石墨棒阵列的行数设置为两行。

串联石墨棒的导电装置通常采用铜片，第i－1石墨棒与第i石墨棒在同端连接，以减小导电装置的长度；为保证第一石墨棒至第N石墨棒依序串联，N－1个导电装置分别间隔地设置于石墨棒阵列的第一端和第二端，例如，若第i－1石墨棒与第i石墨棒在第一端连接，则第i石墨棒与第i+1石墨棒则在第二端连接，所述石墨棒与导电装置的连接处的石墨棒表面镀有铜膜或银膜，以减小连接处的接触电阻。

固定石墨棒可采用绝缘基板以及绝缘支架，当石墨棒阵列仅为单行时，仅需一块绝缘基板，然后将石墨棒设置于绝缘基板上，两端分别以两个绝缘支架将石墨棒的两端分别固定于绝缘基板与绝缘支架之间，即可完成固定；当石墨棒阵列的行数为2时，则可用上述相同的方法，将两行石墨棒分别固定于绝缘基板的上表面和下表面；当石墨棒阵列的行数大于3时，则需采用多块绝缘基板，其包括第一绝缘基板、第二绝缘基板、…、以及第M－1绝缘基板，所述石墨棒阵列的第j－1行以及第j行分别固定于第j－1绝缘基板的上表面以及下表面，j为2～M的任意整数，M为石墨棒阵列的行数；除石墨棒阵列的第一行的上表面以及石墨棒最后一行的下表面同样需用绝缘支架固定以外，绝缘基板之间同样也需利用固定机构相对固定；绝缘基板以及绝缘支架上均设置有与石墨棒相配合的挖槽，除用于使石墨棒阵列的固定更加牢固外，绝缘基板上的挖槽还能起到减小石墨棒阵列的相邻行之间的间距，减小石墨电阻的寄生电感的作用。

绝缘基板的导热率需大于20W/(m·k)，以保证石墨电阻工作时的整体散热效率，例如可采用氧化铝陶瓷材料。绝缘支架同时还需要较好的机械强度，以保证固定效果例如可选用G10环氧板。

实施例1

本实施例所需的石墨电阻的整体电阻大于600mΩ，所用的石墨棒的电阻率ρ＝17μΩ/m，石墨棒的横截面积S＝100mm²，单根石墨棒的长度l＝300mm，如图1所示。可计算获得石墨棒的根数N为12，因此本实施例需要将12个石墨棒串联。

同时，石墨棒的数量与石墨棒的温升Δt具有如下公式关系：

其中，石墨棒的密度n＝1.90±0.02g/cm³，石墨棒的比热容c＝0.76J/g/K，泄放电阻消耗的能量Q＝17000，石墨棒的温升Δt需小于100℃，因此本实施例采用12根石墨棒可满足需求。

图2为本实施例1石墨棒的连接方式与电流流向示意图，1-1～1-12分别表示依次串联的第一石墨棒至第十二石墨棒，黑方方块表示电流的方向为垂直于纸面向内，白色方块表示电流的方向为垂直于纸面向外，电墨棒的第一端设置于外侧，第二端设置于内侧，虚线表示用于固定石墨棒阵列的基板。

具体而言，第一石墨棒的第一端作为石墨电阻的第一端，第一石墨棒的第二端连接第二石墨棒的第二端，第二石墨棒的第一端连接第三石墨棒的第一端，第三石墨棒的第二端连接第四石墨棒的第二端，第四石墨棒的第一端连接第五石墨棒的第一端，第五石墨棒的第二端连接第六石墨棒的第二端，第六石墨棒的第一端连接第七石墨棒的第一端，第七石墨棒的第二端连接第八石墨棒的第二端，第八石墨棒的第一端连接第九石墨棒的第一端，第九石墨棒的第二端连接第十石墨棒的第二端，第十石墨棒的第一端连接第十一石墨棒的第一端，第十一石墨棒的第二端连接第十二石墨棒的第二端，第十二石墨棒的第一端为石墨电阻的第二端；当电流从第一石墨棒的第一端输入石墨电阻时，则依次经过第一石墨棒至第十二石墨棒，从第十二石墨棒的第一端流出，如图3所示。

图4为本发明实施例1石墨电阻的俯视结构示意图，图5为本发明实施例1石墨电阻的仰视结构示意图；该石墨电阻除包括石墨棒1外，还包括基板2，以及四个绝缘支架；基板2为氧化铝陶瓷材料，厚度为5mm，上下表面设置均有与石墨棒1配合的挖槽，挖槽的深度为1mm，如图6所示；第一石墨棒、第四石墨棒、第五石墨棒、第八石墨棒、第九石墨棒以及第十二石墨棒从左至右设置于基板2的上表面，第二石墨棒、第三石墨棒、第六石墨棒、第七石墨棒、第十石墨棒以及第十一石墨棒从左至右设置于基板2的下表面；所有石墨棒1的两端均依次镀有铜膜和银膜，并通过铜片5～8连接，以减少连接处的接触电阻。

在上下表面的石墨棒1的两端，均通过绝缘支架3～4固定于基板2上，绝缘支架3～4中间及两端通过螺钉与基板2相连，下表面绝缘支架3的长度大于上表面绝缘支架4，以方便固定于其它设备上；绝缘支架3～4同时还需要较好的机械强度，以保证固定效果，本实施例中选用G10环氧板。

除第五石墨棒与第八石墨棒之间，以及第七石墨棒、第十石墨棒之间由于螺钉的固定，间距为7mm外，同一表面的相邻石墨棒1的间距均为2mm。

最后通过对实施例1用WK 3260B精密阻抗分析仪进行测量实际值为0.33微亨。将该石墨电阻作为R1，连入图7所示的电路，并用MATLAB/Simulink软件对其仿真，在电源输出电流为2000A，且工作时间持续300ms，频率为1kHz时，石墨电阻消耗的能量为17000J，功率为56kW。实施例2

图8为本实施例2石墨棒的连接方式与电流流向示意图，1-1～1-12分别表示依次串联的第一石墨棒至第十二石墨棒，通过以虚线表示的两块基板固定为三层，石墨棒的型号与实施例1完全相同，间距为2mm；同样的，黑方方块表示电流的方向为垂直于纸面向内，白色方块表示电流的方向为垂直于纸面向外，电墨棒的第一端设置于外侧，第二端设置于内侧，虚线表示用于固定石墨棒阵列的基板。

通过Ansoft Maxwell软件对实施例2进行仿真，获得实施例2的电感值为0.455微亨。

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

1.一种石墨电阻，其特征在于，包括平行设置的石墨棒阵列，所述石墨棒阵列包括第一石墨棒、第二石墨棒、…以及第N石墨棒；第i－1石墨棒与第i石墨棒相邻设置，且在同端以导电装置相连，使得第一石墨棒、第二石墨棒、…以及第N石墨棒依序串联，且每根石墨棒及与其相邻的石墨棒的电流方向均不同，N为石墨棒的根数，N≥3，i为2～N的任意整数。

2.如权利要求1所述的石墨电阻，其特征在于，所述石墨电阻的电阻值为0.6Ω～1Ω，电感值小于0.5μH。

3.如权利要求1所述的石墨电阻，其特征在于，所述石墨棒阵列中石墨棒的间距小于5mm。

4.如权利要求1所述的石墨电阻，其特征在于，所述石墨棒的根数N为4～35。

5.如权利要求1所述的石墨电阻，其特征在于，所述石墨电阻还包括绝缘基板，其分别为第一绝缘基板、第二绝缘基板、…以及第M－1绝缘基板；所述石墨棒阵列的第j－1行以及第j行分别固定于第j－1绝缘基板的上表面以及下表面，j为2～M的任意整数，石墨棒阵列的行数M≥2。

6.如权利要求5所述的石墨电阻，其特征在于，所述绝缘基板的导热率大于20W/(m·k)。

7.如权利要求6所述的石墨电阻，其特征在于，所述绝缘基板的材料为氧化铝陶瓷。

8.如权利要求5所述的石墨电阻，其特征在于，所述绝缘基板的上表面和下表面设置有与所述石墨棒配合的基板挖槽，用于使石墨棒阵列的固定更加牢固，同时使得石墨棒阵列的第j－1行以及第j行之间的间距减小，以减少石墨电阻的寄生电感。

9.如权利要求1所述的石墨电阻，其特征在于，所述导电装置为铜片。

10.如权利要求1所述的石墨电阻，其特征在于，所述石墨棒与导电装置的连接处的石墨棒表面镀有铜膜或银膜。