[发明专利]一种基于超级电容器级联的高压电容器充电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压电容器充电装置。

背景技术

电火花震源是通过高压电容器放电对地质情况进行勘探的装置，其中高压电容器电压涉及的电压范围为1KV及以上，需要高压电源对其进行充电。最初采用的方法是将220V或380V电网电压经工频变压器升压、整流后形成高压电源给高压电容器充电，后来发展为采用高频开关变换技术，目的是减小工频变压器的体积。充电电源的初级能源一般是电网电能、柴油发电机，但在山区，以上两种初级能源均受到限制。随着超级电容器技术的发展，由超级电容器提供初始能源的方式成为可能，而且超级电容器可以分为小体积和重量的模块，通过人力背到车辆难以到达的地区，使电火花震源在山区的应用成为可能。

超级电容器组作为初始能源的充电系统有两种方式，一是超级电容器组与高频充电电源组成充电系统，超级电容器组提供低压大电流，经高频充电电源变换成高压小电流后给电容器充电；一种是由超级电容器组采用级联拓扑串联起来，直接输出高压给电容器充电。在超级电容器组采用级联拓扑串联的充电系统中，当高压电容器容量较大时，则需要加入很大电感量的限流电感才能将充电电流限制在高压电容器允许的充电电流之内。较大的限流电感不仅引起损耗增加，且在工程实现上难度较大，体积也很大。为了避免这种情况，简单的方法是将大容量高压电容器分成多组，分别进行充电，但是这种方法须在每组高压电容器输出端串联高压大电流开关，同样使得系统体积、成本增加，故障率增高。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的缺点，提出一种基于超级电容器级联的高压电容器充电装置，本发明适用于目标充电电压在1KV及以上的大容量高压电容器充电。

本装置包括8个组成部分：开关控制器、超级电容器组级联系统、限流电感、自动投切电路、高压电容器、开关电路电流源、测量和取样电路、电流测量线圈。超级电容器组级联系统的高压端串联限流电感后与自动投切电路的1号输入端相连，超级电容器级联系统的低压端接地；超级电容器组级联系统内各单元分别引出两端：超级电容器负极端和IGBT的触发端，超级电容器负极端和IGBT的触发端与开关控制器相连；自动投切电路的2号输入端与开关电路电流源的正极相连，开关电路电流源的负极接地，自动投切电路的输出端与高压电容器的高压端相连；高压电容器的低压端经电流测量线圈接地；测量和取样电路的电压输入正极端与自动投切电路的输出端相连，测量和取样电路的电压输入负极端接地，测量和取样电路的电流输入端与电流测量线圈相连，测量和取样电路的输出端和开关控制器相连。

所述的超级电容器组级联系统由N个超级电容器组构成，每一超级电容器组内又分别由超级电容器和高压电源开关IGBT串联后再并联一个续流二极管构成，N为大于等于1的正整数。

在对高压电容器充电过程中，超级电容器组级联系统的高压电源开关IBGT工作在软开关状态，在一个谐振周期时间附近，测量和取样电路接收到高压电容器支路的电流信号为0时，给超级电容器组级联系统内与已投入的超级电容器组相邻的高压电源开关IGBT发出触发信号，启动所串联的超级电容器组，继续给高压电容器充电，使其电压得以再一次提升。在每个高压电源开关IGBT的触发开通过程中，这一软开关特性既限制了IGBT管子本身的功率损耗，也限制了IGBT管子在开通瞬间产生的过电压和内部晶胞受热不均，保证了IGBT内部晶胞扩散均匀避免了装置频繁操作造成的使用寿命降低。

所述高压电容器充满至额定电压所需时间分为N+1段，即N段超级电容器组级联系统充电时间和1段开关电路电流源充电微调整时间，N为大于等于1的正整数。N段超级电容器组级联系统充电时间的N的取值和N个超级电容器组中的N的取值相同。可根据用户对最大目标电压的需要确定N的取值，一般N组超级电容器电压相加最小等于电容器最高目标充电电压的一半，最大等于电容器最高目标电压。假定用户对高压电容器最高充电电压的要求为12kV时，系统全谐振状态充电时所需高压电源电压为6kV，如果除最低一级电压为500V外，其余每级超级电容器组电压为1000V，则最少需要7级，即N等于7。如果系统偏离谐振状态，按最大安全原则需要12kV的高压电源，如果除最低一级电压为500V外，其余每级超级电容器组电压为1000V，最少需要12级，即N等于12。N取值越大，级联电路对超级电容器组的保护优势越大，反之越少。故在此要求下，满足系统可靠性，最终N取12。在N段超级电容器组级联系统充电时间内，超级电容器组级联系统在大范围，即1000V及以外的电压范围内调整输出的充电电压。