本發(fā)明涉及低壓電器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種智能電容器及其工作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有廣泛應(yīng)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(shí)總是呈現(xiàn)良好的電容特性，始終保持很低的內(nèi)阻。這樣的特性對于正常工作時(shí)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(shí)產(chǎn)生很大的浪涌電流，沖擊前級電源和線路，帶來嚴(yán)重的問題。
目前為了解決并接了大容值電容的直流負(fù)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(shù)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(shè)計(jì)，極大的增加了大容值電容應(yīng)用的復(fù)雜度。
此外，并聯(lián)的多只電容如果任意一只出現(xiàn)短路故障，都會導(dǎo)致整個(gè)負(fù)載呈現(xiàn)不可恢復(fù)的短路特性，降低了可靠性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)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(tǒng)電容器內(nèi)集成少量低成本的無源器件，在不改變正常工作時(shí)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(tài)檢測接口便于進(jìn)行健康管理。
本發(fā)明提供的一種智能電容器，包括供電正端1腳和供電負(fù)端2腳；
還包括電阻r1、r2、r3和r4，穩(wěn)壓管d1和d2，電容c1和c2，場效應(yīng)管q1、三極管q2和狀態(tài)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(yīng)管的柵極和三極管的集電極，所述電阻r2還與場效應(yīng)管q1的源極和襯底、三極管q2的發(fā)射極及狀態(tài)指示模塊連接，并與穩(wěn)壓管d2和電容c2并聯(lián)，所述三極管的基極與電阻r3連接，所述電阻r3還與穩(wěn)壓管d1的正極連接，所述穩(wěn)壓管d1還與場效應(yīng)管q1的漏極、電阻r4和電容c1的負(fù)極連接，所述電阻r4通過狀態(tài)指示模塊連接供電負(fù)端2腳。
更進(jìn)一步的，還包括隔離狀態(tài)檢測接口3腳和4腳；
所述狀態(tài)指示模塊為光耦e1，所述隔離狀態(tài)檢測接口3腳和4腳為光耦e1的兩輸出端。
更進(jìn)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(wěn)壓管d1擊穿電壓20v、穩(wěn)壓管d2擊穿電壓12v及場效應(yīng)管q1耐壓500v，導(dǎo)通阻抗50mω。
本發(fā)明還提供了一種包括上述智能電容器的電路結(jié)構(gòu)，將所述智能電容器通過開關(guān)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(kuò)展電路。
本發(fā)明還提供了一種智能電容器的工作方法，包括
上電時(shí)電阻r4限制電容c1的充電電流，并擊穿穩(wěn)壓管d1；
通過電阻r3使三極管q2飽和導(dǎo)通，短接場效應(yīng)管的柵極和源極，并使其保持截止?fàn)顟B(tài)；
當(dāng)電阻r4兩端的電壓逐漸下降至無法擊穿穩(wěn)壓管d1時(shí)，三極管q2將退出飽和狀態(tài)，供電電源通過r1為電容c2充電，緩慢抬升場效應(yīng)管q1的柵極電壓，使其漏源兩極緩慢導(dǎo)通，進(jìn)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(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)；
通過狀態(tài)指示模塊指示智能電容器的充電狀態(tài)。
更進(jìn)一步的，所述狀態(tài)指示模塊指示智能電容器的充電狀態(tài)具體包括，
當(dāng)智能電容器充電時(shí)，光耦e1的原邊流過充電電流，使3腳和4腳呈現(xiàn)短接狀態(tài)；
當(dāng)智能電容器完成充電時(shí)，光耦e1的原邊不再導(dǎo)通，使3腳和4腳呈現(xiàn)開路狀態(tài)；
當(dāng)智能電容器故障時(shí)，光耦e1的原邊一直流過充電電流，使3腳和4腳始終呈現(xiàn)短接狀態(tài)。
更進(jìn)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(wěn)壓管d1擊穿電壓20v、穩(wěn)壓管d2擊穿電壓12v及場效應(yīng)管q1耐壓500v，導(dǎo)通阻抗50mω。
通過采用以上的技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：通過在傳統(tǒng)電容器內(nèi)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(yīng)用的設(shè)計(jì)。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(yīng)用前景。
附圖說明
本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
圖1為本發(fā)明接口示意圖和該智能電容器內(nèi)部的電路原理圖；
圖2為實(shí)施例1的電路圖；
圖3為實(shí)施例1的仿真波形圖。
具體實(shí)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(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
本發(fā)明提出的智能電容器的原理圖如圖1所示。左側(cè)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(fù)端，3腳和4腳為隔離狀態(tài)檢測接口。右側(cè)為里面為原理圖，引腳1～4號與左側(cè)示意圖相對應(yīng)。
本發(fā)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(dāng)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(shí)光耦e1的原邊流過充電電流，使得引腳3和引腳4狀態(tài)檢測端呈現(xiàn)短接狀態(tài)，標(biāo)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(wěn)壓管d1，并通過電阻r3使三極管q2飽和導(dǎo)通，進(jìn)而短接場效應(yīng)管的柵極和源極，使其保持截止?fàn)顟B(tài)。
隨著電容c1的電壓上升，電阻r4兩端的電壓逐漸下降，當(dāng)其降低至無法擊穿穩(wěn)壓管d1時(shí)，供電電源將通過r1為電容c2充電，使得場效應(yīng)管q1的柵極電壓緩慢抬升，漏源極也緩慢導(dǎo)通。這一過程會形成正反饋，使得電阻r4兩端的電壓進(jìn)一步降低到零，遠(yuǎn)離穩(wěn)壓管d1的擊穿電壓。場效應(yīng)管q1完全導(dǎo)通后，電容c1也完成充電，光耦e1的原邊不再導(dǎo)通，使得引腳3和引腳4狀態(tài)檢測端呈現(xiàn)開路狀態(tài)，標(biāo)識著智能電容器完成充電。由于導(dǎo)通的場效應(yīng)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(fā)明的智能電容器一旦出現(xiàn)電容芯體c1短路，上電時(shí)的電源電壓將全部由電阻r4分擔(dān)，不會造成線路短路，具有良好的故障隔離效果。此時(shí)，智能電容器的狀態(tài)檢測端(狀態(tài)指示模塊)始終標(biāo)識為充電狀態(tài)，可為外部檢測提供故障信息。
此外，本發(fā)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(yīng)用的設(shè)計(jì)，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(yīng)用前景。
實(shí)施例1
本發(fā)明的實(shí)施例1如圖2所示，將智能電容器通過開關(guān)k接入直流供電電源。該實(shí)施例1的智能電容器參數(shù)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(wěn)壓管d1擊穿電壓20v，穩(wěn)壓管d2擊穿電壓12v。
3)場效應(yīng)管q1耐壓500v，導(dǎo)通阻抗50mω。
直流供電電壓為270v，開關(guān)k在1s時(shí)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(tài)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(chǎn)生浪涌電流，同時(shí)智能電容芯體c1電壓開始緩慢上升，狀態(tài)指示信號發(fā)生跳變，指示正在充電。在接近4s時(shí)刻，智能電容芯體c1電壓達(dá)到250v，引發(fā)里面場效應(yīng)管動作導(dǎo)通。使得智能電容芯體c1電壓迅速達(dá)到270v，在供電線路中產(chǎn)生較小的2a浪涌電流，狀態(tài)指示信號同時(shí)發(fā)生跳變，指示充電結(jié)束。
由此可見，本發(fā)明智能電容器達(dá)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(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進(jìn)行改動。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
技術(shù)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(fù)端2腳；
還包括電阻r1、r2、r3和r4，穩(wěn)壓管d1和d2，電容c1和c2，場效應(yīng)管q1、三極管q2和狀態(tài)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(yīng)管的柵極和三極管的集電極，所述電阻r2還與場效應(yīng)管q1的源極和襯底、三極管q2的發(fā)射極及狀態(tài)指示模塊連接，并與穩(wěn)壓管d2和電容c2并聯(lián)，所述三極管的基極與電阻r3連接，所述電阻r3還與穩(wěn)壓管d1的正極連接，所述穩(wěn)壓管d1還與場效應(yīng)管q1的漏極、電阻r4和電容c1的負(fù)極連接，所述電阻r4通過狀態(tài)指示模塊連接供電負(fù)端2腳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電容器，其特征在于：還包括隔離狀態(tài)檢測接口3腳和4腳；
所述狀態(tài)指示模塊為光耦e1，所述隔離狀態(tài)檢測接口3腳和4腳為光耦e1的兩輸出端。
3.根據(jù)權(quán)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(wěn)壓管d1擊穿電壓20v、穩(wěn)壓管d2擊穿電壓12v及場效應(yīng)管q1耐壓500v，導(dǎo)通阻抗50mω。
4.一種包括如權(quán)利要求2所述的智能電容器的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于：將所述智能電容器通過開關(guān)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(shí)電阻r4限制電容c1的充電電流，并擊穿穩(wěn)壓管d1；
通過電阻r3使三極管q2飽和導(dǎo)通，短接場效應(yīng)管的柵極和源極，并使其保持截止?fàn)顟B(tài)；
當(dāng)電阻r4兩端的電壓逐漸下降至無法擊穿穩(wěn)壓管d1時(shí)，三極管q2將退出飽和狀態(tài)，供電電源通過r1為電容c2充電，緩慢抬升場效應(yīng)管q1的柵極電壓，使其漏源兩極緩慢導(dǎo)通，進(jìn)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(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)；
通過狀態(tài)指示模塊指示智能電容器的充電狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)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(tài)指示模塊指示智能電容器的充電狀態(tài)具體包括，
當(dāng)智能電容器充電時(shí)，光耦e1的原邊流過充電電流，使3腳和4腳呈現(xiàn)短接狀態(tài)；
當(dāng)智能電容器完成充電時(shí)，光耦e1的原邊不再導(dǎo)通，使3腳和4腳呈現(xiàn)開路狀態(tài)；
當(dāng)智能電容器故障時(shí)，光耦e1的原邊一直流過充電電流，使3腳和4腳始終呈現(xiàn)短接狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)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(wěn)壓管d1擊穿電壓20v、穩(wěn)壓管d2擊穿電壓12v及場效應(yīng)管q1耐壓500v，導(dǎo)通阻抗50mω。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)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(shù)領(lǐng)域，包括供電正端1腳和供電負(fù)端2腳；還包括電阻R1、R2、R3和R4，穩(wěn)壓管D1和D2，電容C1和C2，場效應(yīng)管Q1、三極管Q2和狀態(tài)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(yīng)管的柵極和三極管的集電極，所述電阻R2還與場效應(yīng)管Q1的源極和襯底、三極管Q2的發(fā)射極及狀態(tài)指示模塊連接，并與穩(wěn)壓管D2和電容C2并聯(lián)，所述三極管的基極與電阻R3連接，所述電阻R3還與穩(wěn)壓管D1的正極連接，所述穩(wěn)壓管D1還與場效應(yīng)管Q1的漏極、電阻R4和電容C1的負(fù)極連接，所述電阻R4通過狀態(tài)指示模塊連接供電負(fù)端2腳，使其無上電浪涌電流、具備短路自動切除等特性。
