CN107393717B - 一种高压脉冲电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压脉冲电容器，所述高压脉冲电容器包括：储能单元、密封外壳、插接式电极结构，储能单元由多个储能元件依次串联连接组成，储能单元位于密封外壳内，插接式电极结构中的电极分别穿过密封外壳与储能单元两端连接；采用了偶数元件几何对称排布设计、嵌入铜箔式低温焊接方法、整体外壳密封工艺、触指式插接结构等，使高压脉冲电容器具有放电电流大、内电感小、内电阻小、寿命长的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程研究领域，具体地，涉及一种高压脉冲电容器。
背景技术
近年来随着核物理、高能物理、脉冲功率、电力电子、高压电气、医疗、环保等领域的快速发展，脉冲功率系统、快脉冲驱动器、高压大电流脉冲电源等对电容器的要求越来越高，除高电压、大电流、低电感、低内阻参数等要求外，对重复频率和寿命也提出了更高的要求。高压大电流脉冲电容器在多个技术领域有着广泛的应用，如聚变能源研究装置、加速器、等离子体发生器、高功率微波源、高压电力电子设备、大电流发生器等。在上述装置使用的关键器件中，绝大部分会使用高压大电流脉冲电容器作为储能器件，较多装置使用多个高压大电流脉冲电容器进行串并联使用，电容器的性能指标和可靠性尤为重要。如电压耐受能力、大电流放电能力、低电感参数、低内阻参数、长寿命、重复频率等。
在传统的高功率脉冲产生装置中，一般采用直流—较慢脉冲—快脉冲多级压缩，实现快脉冲高功率输出需要中间储能环节。这种技术线路体积大、中间环节多，有庞大的辅助系统，不利于下一代更大规模装置的建设。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，传统的高功率脉冲产生装置中的电容器不能直接输出大电流、快脉冲，而需要进行脉冲二次压缩的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种高压脉冲电容器，解决了传统的高功率脉冲产生装置存在体积大、中间环节多，需要庞大的辅助系统的技术问题，实现了可直接放电输出快脉冲的电容器技术，具有放电电流大、内电感小、内电阻小、寿命长的技术效果。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种高压脉冲电容器，所述高压脉冲电容器包括：
储能单元、密封外壳、插接式电极结构，储能单元由多个储能元件依次串联连接组成，储能单元位于密封外壳内，插接式电极结构中的电极分别穿过密封外壳与储能单元两端连接。
其中，本申请的原理为：储能单元中的多个储能元件依次串联连接组成，将电荷储存在储能单元中。密封外壳将储能单元密封在其中，以保证储能单元的绝缘性能，对其进行固定和保护。插接式电极结构将储能单元的电极分别穿过密封外壳与外部连接，当外部需要提取能量时，由外部开关等器件将储能单元中的电荷提取出去。
其中，本申请中的高压脉冲电容器直接通过电容和开关放电产生快脉冲，这样可以省去中间环节。直接放电产生快脉冲，并且可以实现长寿命，可重复频率运行，是理想的高功率脉冲产生装置需要器件。
进一步的，储能元件由储能薄膜与铝箔进行卷绕压制成型，储能元件之间通过低温合金焊方式进行连接。储能薄膜为聚丙烯薄膜。
进一步的，密封外壳由盒装模具与面板组成，盒装模具与面板连接处通过拐角式焊缝连接。
进一步的，盒装模具与面板采用超声波焊工艺进行焊接。采用超声波焊工艺，形成大面积熔接，实现良好的密封，保证介质绝缘性能。所述储能单元由偶数电容器储能元件依次串联构成，采用电流通路对称结构，所产生的磁场相互抵消，从而使回路的内电感下降，实现了低内感。
进一步的，插接式电极结构中的电极均由连接结构与连接触指组成，连接触指嵌入连接结构中的插拔侧。形成大面积均匀接触，通过镀银处理，实现大电流通流，并可进行快速连接。
进一步的，所述连接结构由深孔倒杆、匀场紧固环组成，匀场紧固环旋紧在深孔导杆的螺纹端。
进一步的，盒装模具为顶面开口、内部为空心的长方体。一部分为可直接盖住长方体顶面的面板，两个部件的连接处设计一个对称的拐角焊缝，使焊接面从2个变成4个，再使用焊料进行双边焊接，实现了长期有效密封，保证了高压绝缘性能。
进一步的，储能单元中的单个元件端部电极之间连接采用低温合金焊丝夹入铜箔进行焊接，通过对突出铝箔的大面积焊接，并在中间夹入铜箔，实现了低内阻连接。
进一步的，储能元件所使用的材料为多层储能薄膜与铝箔，通过自动张力式卷绕，并进行折边处理，卷绕成型后，加热进行压扁，形成单个储能元件，并通过绝缘液体介质进行填充，保证了储能介质的介电常数一致性。
进一步的，连接电容器元件与插接式电极，通过三维电场计算软件进行电场优化设计，电极材料采用均匀镀层工艺进行匀场处理，实现了电容器内部连接部位电场的均匀分布。电容器储能元件叠加固定采用与储能薄膜介电常数基本一致的绝缘带，以打包式结构固定，并使用L形垫块进行填充紧固，L形垫块进行表面粗糙化处理，保证了内部结构的稳定性。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中的高压脉冲电容器结构，具有放电电流大、内电感小、内电阻小、寿命长等特点；适用于长寿命快脉冲功率装置、高功率驱动器、高压脉冲电力电子设备、高压大电流冲击发生器等。1、采用了大电流插接式连接结构，并且在储能单元内部元件焊接中，采用了低温合金焊接并嵌入铜箔的方法，有效的降低了电容器的内阻。2、储能单元中的储能元件采用了偶数串联、对称排布、电感进行了有效抵消，有效的降低了电容器的内感。3、采用了整体式外壳密封结构，有效的保证了电容器的密封特性，并保证电容器内外材料介电常数基本一致，从而有效的提高了电容器的寿命。而基于电容器的低内电阻、低内电感等特点，可以实现大电流的快速输出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为本发明高压脉冲电容器外形结构图；
图2示出本发明高压脉冲电容器内部结构图；
图3示出本发明高压脉冲电容器内部焊接及连接方式示意图；
图4示出本发明高压脉冲电容器外壳及封口方式示意图；
图5示出本发明高压脉冲电容器大电流插接式电极；
其中，储能单元-1、密封外壳-2、插接式电极结构-3。
具体实施方式
本发明提供了一种高压脉冲电容器，解决了传统的高功率脉冲产生装置存在体积大、中间环节多，需要庞大的辅助系统的技术问题，实现了具有放电电流大、内电感小、内电阻小、寿命长的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
高压脉冲电容器现今被用于许多场合，如聚变能源研究初级驱动器、高压大电流冲击试验装置、等离子体产生装置、产生超高功率或强磁场的装置、强激光装置、电磁驱动装置等。
为满足电容储能型脉冲功率装置和单元中的电容器低电感、低内阻、大电流和长寿命需求，本发明公开了一种长寿命高压大电流脉冲电容器。即满足了高峰值功率和快脉冲，又实现了一定的长寿命指标。
请参考图1，本申请提供了一种高压脉冲电容器，所述高压脉冲电容器包括：
储能单元1、密封外壳2、插接式电极结构3，储能单元由多个储能元件依次串联连接组成，储能单元位于密封外壳内，插接式电极结构中的电极分别穿过密封外壳与储能单元两端连接。
本发明高压脉冲电容器，包括储能单元、单面密封式外壳与大电流插接式电极结构，所述储能单元由多个储能元件依次串联连接构成；所述单面密封式外壳由顶面开口、整体空心的长方体和直接盖住长方体顶面的面板两部分焊接构成；所述大电流插接式电极结构由深孔倒杆、匀场紧固环和大电流连接触指构成。
所述的储能单元由多个偶数数量的储能元件串联构成，元件为露箔式电极结构，内部进行了折边匀场处理。元件与元件之间的放置按照几何对称结构进行，在电流通路上保证了对称结构，脉冲电流所产生的磁场相互抵消，从而使回路的内电感下降，实现了电容器的低内感。
所述的储能单元中元件与元件之间通过低温合金焊料进行焊接，在焊接面中夹杂有铜箔，焊料将铜箔全部包裹，并且露出的铝箔绝大部分面积进行可靠焊接。在电流的通路上，保证了大的通流界面和低电阻，从而有效降低了整个回路内阻，实现了电容器的低内阻。
单面密封式外壳由两部分组成，一部分为顶面开口、整体空心的长方体。一部分为可直接盖住长方体顶面的面板，两个部件的连接处设计一个对称的拐角焊缝，使焊接面从2个变成4个，再使用焊料进行双边焊接，形成了大面积焊接，从而实现了长期有效密封，保证了内部高压部件的绝缘性能，从而使寿命得到有效提高。
单面密封式外壳材料与储能元件的材料、内部填充介质的介电常数基本一致，如均为聚丙烯材料。从而可有效降低了电容器内部的电强强度，当电场强度降低，电容器的寿命将会随之进一步得到有效提高。
电流插接式电极结构由三部分构成，深孔倒杆、匀场紧固环和大电流连接触指，其中深孔倒杆将电容器元件和电极连接，连接采用匀场处理后的铜箔；匀场紧固环将电极和铜箔进行固定，并通过绝缘密封圈将电极内外进行真空密封；大电流连接触指采用镀银的铍青铜片，为旋涡状结构，嵌入深孔导杆的外侧，以实现大电流快速插接。
高压脉冲电容器连接关系如图2所示，储能单元中的单个元件按照上下顺序，依次叠加排列，每个元件露出的铝箔通过低温合金焊料进行焊接。单面密封式外壳将电容器储能单元全部包裹，中间填充绝缘介质。在外壳上下端，安装有大电流插接式电极结构。储能单元中的电极首尾端与上下两个插接式电极相连。
储能单元中的单个元件的元件焊接，如图3所示，焊接面积较大，除开流出很小间隙用于绝缘介质浸入而外，其余全部通过大面积低温焊料进行焊接，并且在焊接面放置铜箔，铜箔又被包裹在低温焊料内。焊接面保证光滑、无尖角。
单面密封式外壳如图4构成，由两部分组成，一部分为顶面开口、整体空心的长方体，一部分为可直接盖住长方体顶面的面板，两部分通过焊接构成整体。两个部件的连接处均设计有一个对称的拐角焊缝，使焊接面从2个变成4个，再使用焊料进行双边超声波焊接，形成了大面积焊接面。
电流插接式电极结构如图5所示，由深孔倒杆、匀场紧固环和大电流连接触指构成。其中深孔倒杆将电容器元件和整个电极进行连接，连接采用匀场处理后的铜箔；匀场紧固环将电极和铜箔进行固定，并通过绝缘密封圈将电极内外进行真空密封；大电流连接触指嵌入深孔导杆的外侧，以实现大电流快速插接。如图所示的外部插接示例，可通过一个固定直径的金属杆，实现快速连接。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种高压脉冲电容器，其特征在于，所述高压脉冲电容器包括：
储能单元、密封外壳、插接式电极结构，储能单元由多个储能元件依次串联连接组成，储能单元位于密封外壳内，插接式电极结构中的电极分别穿过密封外壳与储能单元两端连接；
储能元件由储能薄膜与铝箔进行卷绕压制成型，储能元件之间通过合金焊方式进行连接，相邻的两个储能元件通过大面积低温焊料进行焊接，并且在焊接面放置铜箔，铜箔又被包裹在低温焊料内，储能单元由偶数储能元件依次串联构成，储能单元采用电流通路对称结构；
储能元件为多层储能薄膜与铝箔通过自动张力式卷绕，并进行折边处理，卷绕成型后，加热进行压扁，形成单个储能元件，并通过绝缘液体介质进行填充；
多个储能元件叠加固定采用与储能介质介电常数一致的绝缘带，并使用L形垫块进行填充紧固；
密封外壳材料与储能元件的材料、内部填充介质的介电常数一致，均为聚丙烯材料。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲电容器，其特征在于，密封外壳由盒装模具与面板组成，盒装模具与面板连接处通过拐角式焊缝连接。
3.根据权利要求1所述的高压脉冲电容器，其特征在于，盒装模具与面板采用超声波焊工艺进行焊接。
4.根据权利要求1所述的高压脉冲电容器，其特征在于，插接式电极结构中的电极均由连接结构与连接触指组成，连接触指嵌入连接结构中的插拔侧；所述连接结构由深孔倒杆、匀场紧固环组成，匀场紧固环旋紧在深孔导杆的螺纹端。
5.根据权利要求2所述的高压脉冲电容器，其特征在于，盒装模具为顶面开口、内部为空心的长方体。
6.根据权利要求1所述的高压脉冲电容器，其特征在于，储能元件端部电极之间连接采用合金焊丝夹入铜箔进行焊接。
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