一种陶瓷电容器的充电方法

专利名称：一种陶瓷电容器的充电方法
技术领域：
本发明内容涉及电量储能领域，一种对具有电量锁存功能的陶瓷电容器进行充电 的电路暨装置。
背景技术：
自1800年意大利科学家伏达(Vlota)发明的电化学电池问世以来，基于电化学电 池的各类产品已经应用到人们日常生活和工作中的许多领域，其中应用最为广泛的是铅酸 电池。属于电化学的铅酸电池腐蚀性强，对环境污染严重，保养成本高，充电时间长，使 用寿命短，并且单位重量存储电量指标较低，往往不能满足许多方面的更高的应用要求。以后，人类陆续开发了镍金属类电池(包括镍-镉(Ni-Cad)，镍-锌(Ni-Z)和 镍-氢电池)，锂电池，燃料电池，太阳能电池等。这些电池虽然相对铅酸电池在某些性能上 有所改善，但是一些基本问题依然存在，如防爆安全问题，电量记忆效应，低的转换效率， 一般为1-3年的有限使用寿命，较长的充电时间，以及产品自身成本和维护成本高，化学腐 蚀性强，对环境的污染等。上述类型的电池应用中，基于电化学原理的电池占据了目前产品的主要市场。以前，基于物理电容器原理的电池研究由于漏电快，存储电量低，体积大，有些 (如含铅)材料还对环境污染造成较大影响等等原因，阻碍了其商业应用，长期处于停滞状 态。随着技术进步，由于人们对电容器机理有了新的认识，一种具有电量锁存功能的 陶瓷电容器将解决上述物理电池带来的性能缺陷，从而为电池发展带来新的机会。本发明描述了一种针对具有电量锁存功能的陶瓷电容器暨物理电池进行的特殊 充电方法。具有电量锁存功能的陶瓷电容器使用的电介质核心材料是分子复合的粉体，这 是一种钙钛类反铁磁分子材料类(antiferromagnetism，AFM)与四方相铁电分子材料 类(Ferroelectrics tetragonal, FET)相复合的新型结构材料(Antiferromagnetism & Ferroelectrics,简称AFM-FET，或AFF)，其典型代表之一是锰氧化合物和钛酸钡粉体复合 的材料。由AFF材料制作的电介质膜，与电极和绝缘组成的电容器称为AFF电容器暨充电 陶瓷电池。这种电容器最大的特点在于在电场方向的作用下，AFF复合结构可以发生磁电阻 的巨大变化，从而实现分子级别的电路开关控制。这种开关特性可以使得AFF陶瓷电容器，在AFF处于ON的状态下，对电容器进行 充电，使电荷聚集在电极表面；在AFF处于OFF状态下，当外部电场去掉后，将电极表面电荷 阻挡在高介电材料的外部，有效防止了快速反向漏电现象的发生，使电量得以长期保存。根据AFF的材料上述特性和电容器结构要求，本发明描述了一种对AFF电容器进 行充电的方法，对于配合AFF电容器应用，具有现实意义。
6
目前市场上有许多类型的充电器，如锂电池和铅酸电池充电器；本专利与这些电 池充电装置的不同之处在于1、针对AFF开关特性进行的特殊控制，而这种特性是其他电 池所没有的；2、描述了 AFF电容器进行快速充电，放电，以及磁电阻发生转变过程中，采取 特殊的信号控制和散热措施3、描述了一种常规开关器件SW与光导开关(WioteConductive Semiconductor Switches,PCSS)串联组合，以及在结构上集成的技术方法，如继电器JS和 PCSS组合，可以极大的减少电量锁存时产生的能量损失，并且减少成本，为高压AFF电容器 的应用提供了实用技术。关于上述内容的历史、现状和技术进展，有大量文献和资料可供参考，其中包括路 秋生《常用充电器电路与应用》(2005年，机械工业出版社)。此外，目前为止，在国内外公开的资料和消息中，还未见有关此类AFF充电器的报道。由于本专利描述的有关AFF电池充电器的技术内容，其关键在于对其相关核心材 料AFF粉体和薄膜取得的重要认识，本专利文件中将同时介绍其中一些重要的物理作用机 理，其目的是便于对本专利的理解。

发明内容
本发明描述了一种陶瓷电容器充电电路暨装置的方法。这种装置(

图1)至少包 括开关控制及监测单元100，以AC-DC，或DC-DC方式提供的充电电源110，充电电缆120， 散热装置130，组态开关模块140，至少一个(或一组)AFF辅助电容器150，至少一个(或一 组)AFF电容器(电量存储体)160，放电170模块；其中开关控制及监测单元100，包括对组态开关模块140内的所有开关器件进行 器件关断的同步信号控制及充电过程的监测，以及必要的备用电源；其中充电电缆120和散热装置130模块，至少在进行大功率快速充电时，充电电缆 120需要采用制冷措施，如使用水冷电缆，由散热装置130提供制冷器以及制冷循环控制装 置；其中组态开关模块140，至少包括充电电缆端头141，充电/放电开关142，正向偏 压开关143，反向偏压开关144，低感抗开关通道145，放电电缆端接146等；其中反向偏压开关144，至少包括关断时间在IOns以内的独立高速开关器件，或 串联组合的高速开关器件；其中串联组合的高速开关器件至少包括一个以上的光导开关(PCSS)与一个以上 的常规开关器件串联；其中低感抗开关通道145包括；在反向偏压作用过程中，从高速开关器件到至少 一个(或一组)AFF辅助电容器150和至少一个(或一组)AFF电容器(电量存储体)160 的正、负端电极之间的器件和电路通道；其中放电模块170包括，DC-DC和DC-AC类型的电源转换模块171，以及放电负载 172 ；电路特性及方法如下，①、AFF辅助电容器150和AFF电容器160遵循铁电材料电滞回线基本规律和要 求，基本电路如图2所示；
充电方法描述如下，充电前，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl”发出开关K”断开信号，使触 点11-12，和13-14断开；在充电时，Ctrl发出开关K闭合信号，使触点7-8，和9_10闭合；同时，开关控制及 监测单元100信号控制源Ctrl’发出开关K’右向闭合信号，使触点1-3，和2_4闭合；此时 充电器的电场U对AFF辅助电容器150和AFF电容器160同时充电；当充电完成后，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl发出开关K断开信号， 使触点7-8，和9-10断开；然后，信号Ctrl’发出开关K’左闭合信号，使触点3-5，和4-6闭 合；此时，AFF辅助电容器150与AFF电容器160充电电压互为对方的反向偏压，短时间后， 信号Ctrl’再次发出开关K’断开信号，使触点3-5，和4-6断开，此时，AFF辅助电容器150 和AFF电容器160同时完成电量锁存；当进行放电时，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl”发出开关K”闭合信号， 使触点11-12，和13-14闭合，AFF电容器从正电极，经触点11_12，负载R，触点13-14，负电 极形成回路，实现基本的负载应用。②、充电前准备，连接AC-DC，或DC-DC方式提供的充电电源110与组态开关140之 间的充电电缆120，该电缆120经充电电缆端头141，开关K，K’分别与AFF电容器160和 AFF辅助电容器150的正，负电极的输出端，同极性两两连接；可对两个以上相同参数的AFF 电容器单元同极性并联连接，实现更大容量的AFF电容器组同时充电；③、当AFF电容器160处于无存储，或非饱和，或满电量状态时，可以进行充电，直 至将电容器电量充满；充电时，如果AFF处于关(OFF)状态，在直流充电正向偏压开关143 的作用下，将AFF电容器160和AFF辅助电容器150反转为开(ON)状态，此时，由于AFF电 容器和AFF辅助电容器150内电介质薄膜磁电阻陡然下降，使电介质材料内部电荷容易并 迅速聚集到电极表面端，并使其电极表面电能密度显著增加，上升至饱和状态；④、对于低压下的AFF电容器160和AFF辅助电容器150，组态开关模块140内，可 以直接选用高速开关器件，使得反向偏压时间关断最短，如市场上的ns级的高速开关；⑤、对于高压下的AFF电容器160和AFF辅助电容器150，组态开关模块140内，可 以选用串联组合的开关器件，在这种组合中，其中至少包括一个以上PCSS和一个以上开关 器件SW，并且这种组合能够承受2倍以上最大充电电压的；这种组合可以使得反向偏压时 间关断最短，如(图3-a)示意的串联开关K1，如继电器开关JS，和ns级光导PCSS开关K2 组合的开关控制，实际有效导通时间为ns级的光导PCSS开关时间(图3-b)；在ns级的组 合开关控制时，可将反向偏压导致的热释放降到很低的程度，而不需要特殊的散热处理；这 种技术方法主要在AFF电容器进行电量锁存时应用；⑥、在反向偏压作用进程中，从施加偏压的高速开关器件，到AFF辅助电容器150 和AFF电容器160的正、负端电极之间，器件和电路通道均采用尽量宽的，相互平行的，片式 线路，并使器件、触点、电容器之间距离最短，在电路拐弯处有足够的R角，具有抗外干扰的 结构，达到低感抗效果；这种结构对于实现高电压下的高速反向偏压信号的正常开关非常
重要；⑦、未能使AFF状态处于关(OFF)状态的AFF电容器，如停电或设备故障等原因导 致未能完成AFF关(OFF)状态过程，不具有电量锁存功能，将可能发生较大的漏电现象；
⑧、开关控制及监测单元100可以对组态开关模块140内的各个开关进行同步信 号控制，发出时序精确组合的状态控制信号，检测必要的控制点，判断充电各个进程，对上 述过程进行全程指令控制和监测，并以智能或人机交互方式，如确定充电，放电和电量锁存 的全进程，检测AFF电容器电压升降的快慢，漏电流的大小，确定AFF电容器的0N/0FF状 态，以及充电锁存是否成功等；⑨、反向偏压施加时间时间越长，导致AFF电容器电量损耗 越大，甚至耗尽；⑩、施加足够短时间的反向偏压，造成AFF电容器极板表面的一部分电荷 能量的流失，表现为电量锁存之前和之后的电压相比有一定程度的下降(图3-c)，并且相 同参数的AFF电容器160和AFF辅助电容器150电压同等下降，如充电时，电容器达到2000V 的直流电压，反向偏压后，它们可能会下降到1800-1980V之间，但是AFF电容器160和AFF 辅助电容器150的电极表面依然可以保持大部分的电量；◎、当AFF电容器160和AFF辅助电容器150超过使用温度临界范围，将导致AFF 电容器电量锁存失效； 、当AFF电容器160和AFF辅助电容器150从温度临界范围外回到临界值内范 围时，须重新进行AFF特性充电，确定极性，其电量锁存功能随其恢复； 、两个完成充电的AFF电容器一般不能带电直接串联使用，如果实现串联应用， 须事先将AFF电容器存储的电量放净； 、有些充电情况下，如多个AFF电容器并联组成的电池，由于制冷/散热条件 的限制，或过大的用电参数，可能超过电网的规定范围，可采用小电流的充电方式，慢速充 电； 、慢速充电要花费很长时间，如果在充电中会由于某种原因，如停电，终止充电， 此时，AFF充电装置将自动启动备用电源，并且完成锁存功能；备用电源可以由另外的AFF 电容器组成； 、在充电，放电和存放时，考虑到AFF特性，AFF充电器和AFF电容器应该避免在 高频的电磁和强磁场环境下，以及强烈振动，(硬物的)撞击等条件下进行，即使采取了一 定的防范措施； 、放电170模式，具有AFF电量锁存功能的电容器(或电池)可以与应用负载电 阻171组成一个基本的放电电路；在AFF电容器自身电压作用下，电荷经过应用负载171形 成回路，经过放电，电容器极板电量密度逐渐降低，直至为零；O、有些放电情况下，如过高的AFF电压参数不能满足实际应用的电压规定要求， 需要将电压，如直流2000V，转换为电子产品和汽车等常用的直流电压3V、5V、6V、12V、MV、 36V等，可采用高压转换到低压的(DC-DC)技术方法，同理，在实际应用中会遇到将直流高 压逆变并降压为交流电压(DC-AC)情况，如直流2000V变为交流220V;这样会增加充电器 应用后端转换模块中的成本和技术复杂程度； 、充电器可以对一个或一组AFF电容器160进行单路充电，在充电时，要与充电 器内部的AFF辅助电容器150同时充电，当充电工作进程结束后，进入电量锁存工作进程 时，充电器内部设计的AFF辅助电容器150作为反向偏压源，对AFF电容器160施加短暂的 反向偏压，完成电量锁存； 、充电器也可以对两个或两组AFF电容器分别进行双路充电，此时AFF电容器 160代表其中一个或一组AFF电容器，AFF辅助电容器150代表另一个或另一组AFF电容器，当充电工作进程结束后，进入电量锁存工作进程，此时将两个或两组AFF电容器的电极 端通过组态开关控制，各自将自身充电电压互为对方电容器的反向偏压，经过施加短暂的 反向偏压后，同时断开两组AFF电容器之间的反向偏压连接，完成各自的电量锁存，并且这 两组AFF电容器剩余电压相等。利用本发明方法可以指导多个领域的专业技术人员制作出多种以AFF材料为应 用核心电介质材料的基于本充电器功能等同的产品，并且应用于其他方面的系统设备和产品。电路及器件AFF电容器内部电介质结构的核心，即AFF材料结构。通常铁电材料除了极化特性，遵循其铁电材料特有的电滞回线规律外，还有突出 的高电介质特性，尤其是形成典型的铁电陶瓷晶界半导体结构，其优点是其视在介电常数 大，这为提高陶瓷电池充电性能提供了重要帮助。如果没有AFF结构，通常一旦去掉外部电场作用，在电极端聚集的电荷很快经过 介质回漏掉了。因此，没有AFF结构的器件，如常规电容器，仅能应用在一般应用电路中，不 能应用于长时间断电情况下的电量储存。AFF材料是一种由反铁磁AFM材料和四方相铁电FET材料复合的功能分子材料，可 在电场正反向作用下，表现出磁电阻的开关效应。例如在磁电阻的开状态，外部电压可以将 高密度的电荷聚集到电极表面；在磁电阻的关状态，可以有效防止电极上的电荷反流到电 介质中，这样即保证了高密度的电荷存储，又防止了电荷的流失。当然，AFF电容器由于工艺原因，也可能导致较大的漏电，甚至短路，如材料密度 松弛，杂质，材料参数不当等，这些可以通过工艺技术进行改进，如提纯，热等静压等技术组 合；尽管AFF电容器在具体应用中设计参数和形式上可能有所不同，但是基本的AFF电容器 的机理作用是不改变的。通常的充电器功能模块一般包括充电电源，状态监测，充电、放电和散热等控制模 块。AFF充电器与常规充电器明显的不同之处在于增加了 1、AFF状态关(OFF)到AFF开 (ON)状态状态转换控制；2、AFF状态开(ON)到AFF状态关(OFF)状态转换控制；3、快速充 电中可能存在的散热措施等。在实际应用中，根据以上原型系统是不够的，更多的是根据应用要求选用更合理 的元器件，并且组合出适用不同应用需求的AFF充电电路或装置。在对AFF电容器施加反向偏压时，对于大容量的高压AFF电容器，往往瞬时释放出 大量热能，按照AFF机理，只要所施加的反向偏压大于或等于AFF电容器，理论上小于Ins 即可完成AFF状态的反转，但是在市场上很难找到尤其是大功率的，这样快速的开关器件。 这样直接应用将不得不以牺牲更多的能量为代价换取AFF状态的反转。例如AFF电容器 单独采用触点类的真空开关类，这类开关器件的瞬时开关时间通常较长，不利于在反向偏 压作用下减少电量损失。而采用串联的SW/PCSS组态开关技术，如继电器JS/PCSS组合，可 以实现在AFF反转中仅有很小的能量损失掉，这点对于实现大能量存储的AFF电容器十分 重要。在反向偏压作用进程中，快速开断时间是十分重要的。一般在Ims的关断时间内， AFF电容器电量损失在12%以上。而在Ins的时间完成关断将使得这种损失小于1 %。SW/PCSS组态开关关断时间是IOns以内，电量损失在1-7%以内。目前市场上有售的大功率器件IGBT的开关时间约为1ms，如英国DYNEX公司的 DIM400XSM65-K,最大电压6500V，最大电流400A。在瞬时开-断周期2ms情况下，对于3000V 的AFF电容器，电量损失约为15%以上，这是不可取的。对于一个大功率的光导开关PCSS，如砷化镓GaAs可在20GHz频率下发出电脉冲 信号，以极快的速度对电路进行开关，目前它的最大电压可达50000V，瞬时电流1100A，开 关使用次数在IO7以上，开关上升沿顶部可以小于2ns，导通底部脉冲宽度约为30ns，理论 能量转换率逼近100%，实际损耗约为1-7%左右，这是市场上有售的非常快的功率开关器 件，但是，由于这种器件在高压的持续状态下，漏电较大，不能单独作为保持开关使用，而常 规开关器件，如继电器可在高压状态下长期保持，漏电很小。所以，当PCSS与继电器开关JS 串联使用时，可以弥补各自的不足。JS/PCSS串联组合使用(图3-a)的例子对于5000V的DC充电电压，JS开关分压 为50-70%，PCSS分压为30-50%，JS开通时间由信号源Sl发出开通信号开始，在JS器件 Kl开通约半程时(图3-b)，由PCSS信号源S2发出延迟的同步信号，触发PCSS器件K2开 通，并且完成开通后，PCSS信号源立即发出关断K2信号，在JS器件Kl开通约后半程时段 内，PCSS已经完成K2关断，最后由JS器件信号源Sl发出关断Kl信号。通常对于有触点的高压开关器件SW，要注意电弧以及电极烧蚀对应用的影响，但 是由于JS是在PCSS开通之前开通，在PCSS关断之后关断，所以对JS触点没有烧蚀的风险。通常电路存在着感抗，对于高速器件的正常关断影响很大，所以对于反向偏压作 用时的相关电路应保证结构合理，如缩短线路距离，加宽线路宽度，甚至将一些开关，如继 电器内部触点和导线进行必要的改造，并采取将相关组件集成一体的封装等措施都可以将 电感降到最低。开关SW和光导开关PCSS器件都可以在技术上实现小型化，如用光纤触发砷化镓 GaAs技术，因此可以将SW/PCSS集成，结构小型化，制作出低感抗的高速器件是完全可能 的。不难看出，这种集成开关器件组离需充电的AFF电容器距离越近越好。所以这种 充电电路装置要实现“充电电源_电缆-AFF充电装置-AFF电容器”的顺序结构更为合理。由于AFF电容器结构和机理，可以实现很快快速充电，但实际上达到是有一定限 制的，原因之一是在大电流充电作用下，一般电缆难以承受，必然要产生大量的热，这种热 若传导到AFF电容器内部，超过AFF电容器规定的温度范围，将使其失去电量锁存功能。为防止这种情况，必须事先对应用系统需求，对AFF电容器应用参数，通过设计， 实验，计算和综合评估，最后决定采取何种技术措施，如对大功率的AFF电容器进行快速充 电，采取带有水冷散热的器件和水冷电缆，即使这样，对AFF电容器进行快速充电，时间上 还是要适当限制。按照不同应用要求，AFF充电电路可以制作并且变化出各种各样不同的实际电路， 其中可能变化最多的是开关控制及监测模块100，即在芯片控制下，甚至可能是在CPU的控 制和监测下进行的全程管理，如对开关组件时序的精确控制，对必要的散热期间进行的智 能预估和控制，对当前电容器，电缆温度的检测，电压电量的检测，AFF锁存状态检测，AFF 电容器参数的调用，数据和状态的显示· ·等等，都会对AFF电容器完成充电，尤其是电量锁存过程质量控制和方便其应用产生重要影响。由于AFF电容器特点是在高压下完成能量存储，AFF电容器安全使用是最为重要 的，充电电缆端头141，放电电缆端头146，充电/放电开关142，必要的接地，以及开关控制 及监测模块100对进程的监测等，都可以将使用AFF电容器的不安全因素降到最低。综上所述，以上描述的AFF电容器充电器特殊的控制模块特性和功能结构，这是 依据AFF电介质粉体的特性，实现的电量锁存功能，这是目前常规充电电路中所没有过的。应用根据AFF电容器的特性和作用机理设计的充电电路装置，可以嵌入到有AFF电容 器应用的电路中，如集成的微电子电路，可以独立的成为各种电子设备中AFF电容器(电 池)的充电特殊单元。在半导体集成电路，笔记本电脑，手机，吸尘器、电动扳手等工具设备 等领域，以及如不间断电源(UPS)等方面，都可能陆续应用到基于AFF电容器原理的充电电 路或充电单元。通过AFF充电装置或设备，AFF电容器充电时间仅在分秒之间即可完成，而且具有 漏电小的优点。随着AFF电容器普及应用，AFF电容器可以组成更大容量的陶瓷电池，有希望成为 全电动交通工具的下一代动力源，而对应于这种电池，AFF充电电路及设备是不可缺少的。AFF电容器充电电路可以激发许多创新性的设计，例如，大容量高压高速开关器件 的小型并集成化，以及微容量低压高速开关器件的发展，以及在微电子，超导，医学领域的 许许多多的新技术应用。此外，由于AFF电容器暨陶瓷电池可以应用到尖端的航空航天器领域，以及风能 发电，太阳能发电中的电量存储装置中，也可以应用在城市局域电网内的用电(高、低)峰 谷期间的调控等方面，相对应的AFF电容器充电技术都是不可缺少的。前述概要，包含必要的，简化的，概括并且可能遗漏的细节。因此，这些内容仅是简 要说明。其中所披露的内容和作法，如显而易见的技术原理和知识，可能离开本项发明及其 伸延内容，经过变相和修改被加以实施或引用。本发明的特点和优点已在权利要求书中加 以界定，载于下文的详细说明包括权利非限制的内容。图纸简要说明目前的发明有可能通过下列说明和所附的图纸加深理解，其中包括图形、文字和 符号等标志其结构、属性和功能。图1是一个示意图，表明了 AFF电容器充电设备的基本组成结构。图2是一个示意图，表明了 AFF电容器充电和电量锁存基本电路。图3是一个示意图，表明了高速串联JS/PCSS组态开关基本连接(图3-a)，JS/ PCSS时序关系(图3-b)，以及实现充电-电量锁存过程的电压能量和时间变化关系(图 3_c) ο图4是一个示意图，表明了一个可完成电量锁存功能的实际例子。 实施例以下为实施例，进一步描述了本发明内容，但是本发明并不受以下实施例的限制。本专利目前对AFF电容器充电器的工艺和技术描述，可以适合许多不同参数性能和类型的具有AFF特性的系统加以应用，因为它容易被熟练掌握此类技术的人员所理解。因此，虽然在应用上强调利用以下工艺和技术可以制作出AFF电容器充电器，例 如电能储存充电装置，但是相同或相似的技术和工艺，可以用来制造其他类型的功能性应 用系统。在AFF充电器原型结构基础上，以下描述了一个可完成电量锁存功能的实际例子。电路图4是一个在图2基础上，对一个大功率AFF电容器进行充电锁存的具体实 例。直流充电电源电压U :4000V, K为充电/停止/放电三位置(红色)手柄开关，其 中触点1和触点4接通，触点5和触点8接通，为充电接通；触点2和触点4接通，触点6和 触点8接通，为停止接通；触点3和触点4接通，触点7和触点8接通，为放电接通；KJ为继 电器驱动开关，JS为继电器开关，PCSSl，PCSS2为光导开关，IGBT为栅控开关，Li，L2为水冷 电缆，Cl，C2为参数相同的AFF电容器，DC-DC转换模块将AFF电容器的约近直流VQUT4000V 转换为直流24V电压，Si，S2，S3，S4, S5为开关信号控制/检测单元100对组态开关模块 相应开关器件的同步控制信号，R为负载电阻，KJ继电器和开关信号控制/检测单元100的 电源V’为自备电源(可以是AFF类型的电容器电源)。充电前，所有开关器件为空，或断开状态除KJ间接的辅助电路外，所有开关器件及线路，接头耐压至少为AFF电容器最大 充电电压的2倍以上，即8000V(图3-c)；其中JS开关耐压为AFF电容器最大充电电压的 100-140 %，PCSSl，PCSS2 分压为 60-100 %。过程如下充电电路控制将红色开关K的手柄位置扳到“充电”位置后，开关K的触点1和 触点4，触点5和触点8接通，开关K为充电闭合状态；同时，开关IGBT的信号源Sl和S2发 出闭合信号，开关IGBT处于导通状态；此时充电电源Uin，开始对AFF电容器Cl和C2充电。当完成对AFF电容器Cl和C2充电后，(装置或人工)将红色开关K的手柄位置 扳到“停止”位置，开关K的触点2和触点4，触点6和触点8接通，开关K为停止充电状态； 此时充电结束。在完成充电后，立即对AFF电容器进行锁存处理。开关IGBT的信号源Sl和S2发 出关闭信号后，完成开关IGBT的断开；信号源S3发出接通信号，开关KJ接通，导致JS继电 器线圈吸合，开关触点9和10触点，触点11和12导通，在继电器触点导通时间约近半程时， PCSSl和PCSS2开关在信号源S4和S5发出闭合信号后，发出光激发脉冲，导致光导开关高 速导通；此时，AFF电容器Cl和C2各自以自身充电电压向对方电容器施加反向偏压；经过 ns级的导通后，PCSSl和PCSS2器件在信号源S4和S5发出断开信号，光导开关高速断开； JS继电器在信号源S4和S5发出断开信号后，S3发出断开信号，KJ开关断开，继电器JS开 关触点断开，电量锁存结束。快速充电过程中，使用水冷电缆Li，L2，并且启动制冷循环装置。当充电结束后， 停止循环制冷。放电电路控制，将红色开关K的手柄位置扳到“放电”(应用)位置后，开关K的触 点3和触点4，触点7和触点8接通，开关K为放电应用闭合状态；
13
两个并联的AFF电容器向DC-DC转换模块提供近4000V的直流电源，经过DC-DC 变换为直流24V电源输出到应用负载，这些负载可以是驱动交通工具的直流电动机，照明 设备，移动的计算机系统等。在放电应用中，可以在紧急情况下，将红色手柄开关扳到“停止”位置，相当于急停 开关作用。本例由于采用了串联JS/PCSS组合开关技术，反向偏压施加时间极短，电能损失 很小，所以反向偏压电路，可以不考虑采取散热保护措施。在全程控制中，应注意Sl和S2，S3和S4和S5信号源的有序同步。串联JS/PCSS组态开关，其中PCSS的信号源S4和S5之间的同步开关时间段必须 嵌入在JS的开关时间段内(图3-b)。利用AFF电容器Cl和AFF电容器C2互向对方施加反向偏压时，必须断开充电电 源Uin，避免外界干扰可能引起的控制上的误操作。虽然以上发明内容已被具体和明确的描述，但其发明的各种变化和修改，可能会 被变相成为一种可以熟练掌握的技术，这种有意涵盖了本发明的各种变化和修改，属于本 专利附加的权利要求。
权利要求
1. 一种陶瓷电容器充电电路暨装置的方法。这种装置(图1)至少包括开关控制及 监测单元100，以AC-DC，或DC-DC方式提供的充电电源110，充电电缆120，散热装置130，组 态开关模块140，至少一个(或一组)AFF辅助电容器150，至少一个(或一组)AFF电容器 (电量存储体)160，放电170模块；其中开关控制及监测单元100，包括对组态开关模块140内的所有开关器件进行器件 关断的同步信号控制及充电过程的监测，以及必要的备用电源；其中充电电缆120和散热装置130模块，至少在进行大功率快速充电时，充电电缆120 需要采用制冷措施，如使用水冷电缆，由散热装置130提供制冷器以及制冷循环控制装置； 其中组态开关模块140，至少包括充电电缆端头141，充电/放电开关142，正向偏压开 关143，反向偏压开关144，低感抗开关通道145，放电电缆端接146等；其中反向偏压开关144，至少包括关断时间在IOns以内的独立高速开关器件，或串联 组合的高速开关器件；其中串联组合的高速开关器件至少包括一个以上的光导开关(PCSS)与一个以上的常 规开关器件串联；其中低感抗开关通道145包括；在反向偏压作用过程中，从高速开关器件到至少一个 (或一组)AFF辅助电容器150和至少一个(或一组)AFF电容器(电量存储体)160的正、 负端电极之间的器件和电路通道；其中放电模块170包括，DC-DC和DC-AC类型的电源转换模块171，以及放电负载172 ； 电路特性及方法如下，①、AFF辅助电容器150和AFF电容器160遵循铁电材料电滞回线基本规律和要求，基 本电路如图2所示；充电方法描述如下，充电前，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl”发出开关K”断开信号，使触点 11-12，和 13-14 断开；在充电时，Ctrl发出开关K闭合信号，使触点7-8，和9-10闭合；同时，开关控制及监测 单元100信号控制源Ctrl’发出开关K’右向闭合信号，使触点1-3，和2_4闭合；此时充电 器的电场U对AFF辅助电容器150和AFF电容器160同时充电；当充电完成后，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl发出开关K断开信号，使触 点7-8，和9-10断开；然后，信号Ctrl'发出开关K’左闭合信号，使触点3-5，和4-6闭合； 此时，AFF辅助电容器150与AFF电容器160充电电压互为对方的反向偏压，短时间后，信 号Ctrl’再次发出开关K’断开信号，使触点3-5，和4-6断开，此时，AFF辅助电容器150和 AFF电容器160同时完成电量锁存；当进行放电时，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl”发出开关K”闭合信号，使 触点11-12，和13-14闭合，AFF电容器从正电极，经触点11_12，负载R，触点13-14，负电极 形成回路，实现基本的负载应用。②、充电前准备，连接AC-DC，或DC-DC方式提供的充电电源110与组态开关140之间 的充电电缆120，该电缆120经充电电缆端头141，开关K，K’分别与AFF电容器160和AFF 辅助电容器150的正，负电极的输出端，同极性两两连接；可对两个以上相同参数的AFF电 容器单元同极性并联连接，实现更大容量的AFF电容器组同时充电；③、当AFF电容器160处于无存储，或非饱和，或满电量状态时，可以进行充电，直至将 电容器电量充满；充电时，如果AFF处于关(OFF)状态，在直流充电正向偏压开关143的作 用下，将AFF电容器160和AFF辅助电容器150反转为开(ON)状态，此时，由于AFF电容器 和AFF辅助电容器150内电介质薄膜磁电阻陡然下降，使电介质材料内部电荷容易并迅速 聚集到电极表面端，并使其电极表面电能密度显著增加，上升至饱和状态；④、对于低压下的AFF电容器160和AFF辅助电容器150，组态开关模块140内，可以直 接选用高速开关器件，使得反向偏压时间关断最短，如市场上的ns级的高速开关；⑤、对于高压下的AFF电容器160和AFF辅助电容器150，组态开关模块140内，可以 选用串联组合的开关器件，在这种组合中，其中至少包括一个以上PCSS和一个以上开关器 件SW，并且这种组合能够承受2倍以上最大充电电压的；这种组合可以使得反向偏压时间 关断最短，如(图3-a)示意的串联开关K1，如继电器开关JS，和ns级光导PCSS开关K2组 合的开关控制，实际有效导通时间为ns级的光导PCSS开关时间(图3-b)；在ns级的组合 开关控制时，可将反向偏压导致的热释放降到很低的程度，而不需要特殊的散热处理；这种 技术方法主要在AFF电容器进行电量锁存时应用；⑥、在反向偏压作用进程中，从施加偏压的高速开关器件，到AFF辅助电容器150和AFF 电容器160的正、负端电极之间，器件和电路通道均采用尽量宽的，相互平行的，片式线路， 并使器件、触点、电容器之间距离最短，在电路拐弯处有足够的R角，具有抗外干扰的结构， 达到低感抗效果；这种结构对于实现高电压下的高速反向偏压信号的正常开关非常重要；⑦、未能使AFF状态处于关(OFF)状态的AFF电容器，如停电或设备故障等原因导致未 能完成AFF关(OFF)状态过程，不具有电量锁存功能，将可能发生较大的漏电现象；⑧、开关控制及监测单元100可以对组态开关模块140内的各个开关进行同步信号控 制，发出时序精确组合的状态控制信号，检测必要的控制点，判断充电各个进程，对上述过 程进行全程指令控制和监测，并以智能或人机交互方式，如确定充电，放电和电量锁存的全 进程，检测AFF电容器电压升降的快慢，漏电流的大小，确定AFF电容器的0N/0FF状态，以 及充电锁存是否成功等；⑨、反向偏压施加时间时间越长，导致AFF电容器电量损耗越大，甚至耗尽；⑩、施加足够短时间的反向偏压，造成AFF电容器极板表面的一部分电荷能量的流失， 表现为电量锁存之前和之后的电压相比有一定程度的下降(图3-c)，并且相同参数的AFF 电容器160和AFF辅助电容器150电压同等下降，如充电时，电容器达到2000V的直流电压， 反向偏压后，它们可能会下降到1800-1980V之间，但是AFF电容器160和AFF辅助电容器 150的电极表面依然可以保持大部分的电量；O、当AFF电容器160和AFF辅助电容器150超过使用温度临界范围，将导致AFF电容 器电量锁存失效； 、当AFF电容器160和AFF辅助电容器150从温度临界范围外回到临界值内范围时， 须重新进行AFF特性充电，确定极性，其电量锁存功能随其恢复； 、两个完成充电的AFF电容器一般不能带电直接串联使用，如果实现串联应用，须事 先将AFF电容器存储的电量放净； 、有些充电情况下，如多个AFF电容器并联组成的电池，由于制冷/散热条件的限制， 或过大的用电参数，可能超过电网的规定范围，可采用小电流的充电方式，慢速充电； 、慢速充电要花费很长时间，如果在充电中会由于某种原因，如停电，终止充电，此 时，AFF充电装置将自动启动备用电源，并且完成锁存功能；备用电源可以由另外的AFF电 容器组成； 、在充电，放电和存放时，考虑到AFF特性，AFF充电器和AFF电容器应该避免在高频 的电磁和强磁场环境下，以及强烈振动，(硬物的)撞击等条件下进行，即使采取了一定的 防范措施； 、放电170模式，具有AFF电量锁存功能的电容器(或电池)可以与应用负载电阻 171组成一个基本的放电电路；在AFF电容器自身电压作用下，电荷经过应用负载171形成 回路，经过放电，电容器极板电量密度逐渐降低，直至为零； 、有些放电情况下，如过高的AFF电压参数不能满足实际应用的电压规定要求，需要 将电压，如直流2000￥，转换为电子产品和汽车等常用的直流电压3￥、5￥、6￥、12￥、2斩、36￥ 等，可采用高压转换到低压的(DC-DC)技术方法，同理，在实际应用中会遇到将直流高压逆 变并降压为交流电压(DC-AC)情况，如直流2000V变为交流220V;这样会增加充电器应用 后端转换模块中的成本和技术复杂程度；Θ、充电器可以对一个或一组AFF电容器160进行单路充电，在充电时，要与充电器内 部的AFF辅助电容器150同时充电，当充电工作进程结束后，进入电量锁存工作进程时，充 电器内部设计的AFF辅助电容器150作为反向偏压源，对AFF电容器160施加短暂的反向 偏压，完成电量锁存；⑩、充电器也可以对两个或两组AFF电容器分别进行双路充电，此时AFF电容器160 代表其中一个或一组AFF电容器，AFF辅助电容器150代表另一个或另一组AFF电容器，当 充电工作进程结束后，进入电量锁存工作进程，此时将两个或两组AFF电容器的电极端通 过组态开关控制，各自将自身充电电压互为对方电容器的反向偏压，经过施加短暂的反向 偏压后，同时断开两组AFF电容器之间的反向偏压连接，完成各自的电量锁存，并且这两组 AFF电容器剩余电压相等。
2.权利要求1，其中串联的JS/PCSS组态开关技术(图3)，PCSS的信号源S4和S5之 间的同步开关时间段必须嵌入在JS的开关时间段内(图3-b)，JS开通时间由JS的信号源 Sl发出开通信号开始，在JS器件Kl开通约半程时，由PCSS信号源S2发出延迟的同步信 号，触发PCSS器件K2开通，并且完成开通后，PCSS信号源S2立即发出关断K2信号，在JS 器件Kl开通约后半程时段内，PCSS已经完成K2关断，然后由JS器件信号源Sl发出关断 Kl信号；串联JS/PCSS组态开关。
3.权利要求1，其中对涉及充电中反向偏压作用过程的相关器件，包括线路，开关内 部，进行线路平行，缩短线路距离，加宽线路宽度等必要的结构改造，并采取集成一体的封 装措施将电路内电感降到最低。
4.权利要求1，其中包括充电电路装置实现“充电电源-电缆-AFF充电装置-AFF电容 器”的顺序结构，并且AFF充电装置与AFF电容器距离最近。
5.权利要求1，其中专用的控制管理单元(含芯片)，包括CPU的控制和监测下进行的 全程管理，如对开关组件时序的精确控制，过程的智能控制，对电容器，电缆温度的检测， 电压电量的检测，AFF锁存状态检测，数据和状态的显示等。
6.权利要求1，其中包括在高压AFF电容器的充电中，使用安全的充电电缆端头141，放电电缆端头146，充电/放电开关142，壳接地等措施，不安全因素降到最低。如在紧急情况 下，将充电/放电开关142手柄扳到“停止”位置，相当于急停开关作用。
7.权利要求1，其中在快速充电过程中，使用水冷电缆Li，L2，并且启动制冷循环装置 130。当充电结束后，停止循环制冷。
8.权利要求1，串联的SW/PCSS组态开关技术，PCSS至少包括以下一种，GaAs，InP,CSi 类型以及它们的掺杂物材料制作而成的各类光导开关等。
9.权利要求2，在PCSS关-断过程中，上升沿小于2ns，脉冲底部宽度小于30ns。
10.权利要求1，其中反向偏压的相关开关器件，电路耐压为AFF电容器最大充电电压 的2倍以上。
全文摘要
一种针对具有电量锁存功能的AFF陶瓷电容器进行充电的技术方法。这种充电方法至少包括使AFF电容器实现开状态(ON)和关状态(OFF)之间的转换，以及采取反向偏压技术和串联SW/PCSS组合开关技术，实现AFF电容器在低损耗下的电量锁存功能。
文档编号H02J15/00GK102118064SQ201010000010
公开日2011年7月6日 申请日期2010年1月4日 优先权日2010年1月4日
发明者纵坚平 申请人:纵坚平