電介質(zhì)充放電系統(tǒng)
產(chǎn)品功能
產(chǎn)品功能儲(chǔ)能電介電放電行為
產(chǎn)品特點(diǎn)
產(chǎn)品參數(shù)
○● PRODUCE FUNCTION
○● DIELECTRIC DISCHARGE BEHAVIOR
○● PRODUCE FEATURES
○● PRODUCE PARAMETERS
Huace-DCS10KV電介質(zhì)充放電測(cè)試系統(tǒng)主要用于研究介電儲(chǔ)能材料高電壓放電性能。目前常規(guī)的方法是通過(guò)電滯回線計(jì)算高壓下電介質(zhì)的能量密度，測(cè)試時(shí)，樣品的電荷是放回到高壓源上，而不是釋放到負(fù)載上，通過(guò)電滯回線測(cè)得的儲(chǔ)能密度一般會(huì)大于樣品實(shí)際釋放的能量密度，無(wú)法正確評(píng)估電介質(zhì)材料的正常放電性能。華測(cè)Huace-DCS10KV儲(chǔ)能電介質(zhì)充放電系統(tǒng)采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電容放電電路來(lái)測(cè)量，測(cè)試電路如下圖所示。在該電路中，首先將介電膜充電到給定電壓，之后通過(guò)閉合高速M(fèi)OS高壓開(kāi)關(guān)，存儲(chǔ)在電容器膜中的能量被放電到電阻器負(fù)載的原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，更符合電介質(zhì)充放電原理。
華測(cè)Huace-DCS10KV儲(chǔ)能電介質(zhì)充放電系統(tǒng)采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電容放電電路來(lái)測(cè)量，測(cè)試電路如下圖所示。在該電路中，首先將介電膜充電到給定電壓，之后通過(guò)閉合高速M(fèi)OS高壓開(kāi)關(guān)，存儲(chǔ)在電容器膜中的能量被放電到電阻器負(fù)載。在放電過(guò)程中電壓對(duì)樣品的時(shí)間依賴(lài)性可以通過(guò)檢波器進(jìn)行記錄。介電材料的儲(chǔ)能性能通常取決于放電速度，可通過(guò)改變負(fù)載電阻器的電阻來(lái)調(diào)節(jié)。通常測(cè)試系統(tǒng)中裝了具有不同電阻的電阻器。在測(cè)試過(guò)程中，用戶(hù)需要選擇電阻器或幾個(gè)電阻器的組合獲得
所需的電阻，并將電阻器或電阻的組合連接到測(cè)試的電介質(zhì)材料。在該電路中，選擇高壓MOSFET開(kāi)關(guān)以釋放儲(chǔ)存的能量非常重要。該開(kāi)關(guān)限制電路的max放電速度和max充電電壓。本套測(cè)試系統(tǒng)由放電采集電路、高壓放大器或高壓直流電源和控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成。在測(cè)試中，測(cè)試人員需要通過(guò)選擇合適的電阻來(lái)確定測(cè)量的放電速度，測(cè)試樣品上的電壓可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲得。 與P-E回滯測(cè)量類(lèi)似，在放電測(cè)試之前，應(yīng)在介電材料的表面制備導(dǎo)電電極，還應(yīng)測(cè)量可用于估計(jì)測(cè)試的放電速度的弱場(chǎng)介電特性。因?yàn)樵跍y(cè)試中經(jīng)常涉及幾千伏的高電壓，所以介電材料通常浸入硅油中。測(cè)試者應(yīng)該確定他們感興趣的放電速度。放電速度可以通過(guò)樣品的低場(chǎng)電容C和負(fù)載電阻RL(RLC常數(shù)）粗略計(jì)算。一旦確定了期望的放電速度，就可以選擇負(fù)載電阻器并將其連接到測(cè)試樣品，然后將充電電壓施加到介電材料。一旦樣品完全充電，然后通過(guò)按下電路盒上的放電按鈕關(guān)閉高速開(kāi)關(guān)，將儲(chǔ)存的能量釋放到負(fù)載電阻器，電阻器上電壓的時(shí)間依賴(lài)性就可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。
在此將以P（VDF-TrFE-CFE）三元共聚物（63／37／7.5）作為示例材料，來(lái)演示如何解釋放電結(jié)果。使用上圖所示的電路，表征三元共聚物對(duì)負(fù)載電阻器的放電行為。使用時(shí)間相關(guān)的電壓數(shù)據(jù)公式，可以計(jì)算放電能量密度的時(shí)間依賴(lài)性。圖中顯示了三元共聚物中不同充電電場(chǎng)的1MΩ負(fù)載的放電能量密度隨時(shí)間的變化。總放電能量密度與從單極P-E回路推導(dǎo)出的能量密度相當(dāng)。這里使用薄膜樣品的電容在1kHz下測(cè)量為約1nF。對(duì)幾種三元共聚物膜樣品進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，由于極化響應(yīng)的非線性和頻率依賴(lài)性，三元共聚物的放電特性不能簡(jiǎn)單地通過(guò)RC常數(shù)來(lái)描述，其中R是電阻(R=RL+ESR)假設(shè)電容器電容不隨頻率、電場(chǎng)和RC電路和RC電路的時(shí)間常數(shù)(τ=RLC+ESRXC)變化，如果RL>ESR，可以忽略ESRXC,，則放電能量密度與時(shí)間的關(guān)系如下：Uc(1)=UD(1-e-(21/t))式中，UD為放電能量。 為了便于比較，使用1nF的電容和1MΩ的負(fù)載電阻，利用公式來(lái)估算能量放電時(shí)間。70％能量釋放所需理論放電時(shí)間為0.6ms，50％能量釋放所需理論放電時(shí)間為0.35ms。而實(shí)驗(yàn)中，這兩種能量釋放所需放電時(shí)間分別為0.66ms和0.3ms。估計(jì)值和測(cè)量值之間的差異反映了非線性［有效介電常數(shù)在高場(chǎng)（＞100MV／m）變小］和介電響應(yīng)的頻率依賴(lài)性（介電常數(shù)在較高頻率或較短放電時(shí)間下變得較小）。此外，ESR在高頻（或短放電時(shí)間）下很小，并且在放電后時(shí)間變長(zhǎng)。
對(duì)于相同的三元共聚物薄膜電容器，其他負(fù)載電阻（(RLL分別為100kΩ和1kΩ）下放電能量密度如圖所示。正如預(yù)期的那樣，減小的RL會(huì)縮短放電時(shí)間。然而，仔細(xì)檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，放電時(shí)間的減少與RL的減少不成比例。 在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電介質(zhì)或電容器充電后，存儲(chǔ)的能量被放電到外部負(fù)載，放電過(guò)程由負(fù)載、電工互連和電容器組成的整個(gè)電路決定，有時(shí)甚至電纜的長(zhǎng)度變化也會(huì)強(qiáng)烈的影響放電過(guò)程、電壓和電流波形。因此P-E回滯測(cè)量的放電條件與實(shí)際實(shí)用中的放電條件明顯不同，并且在實(shí)際應(yīng)用中從P-E回滯環(huán)獲得的能量密度可能偏離（通常高于）真實(shí)的放
電能量密度。
為了評(píng)估介電材料在類(lèi)似于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的放電條件下的性能，另一種測(cè)試方式用于測(cè)量介電材料的儲(chǔ)能特性。在測(cè)量過(guò)程中，首先將介電材料充電到給定的電壓，然后，將電容器中的存儲(chǔ)的能量放電到外部負(fù)
載，如上圖（1），經(jīng)測(cè)試的介電材料可以建模為理想的無(wú)損耗電容，與電阻{等效串聯(lián)電阻（ESR）}串聯(lián)，代表介質(zhì)材料的損耗。很容易看出，當(dāng)外部負(fù)載電阻RL》ESR時(shí)，大部分儲(chǔ)存的能量將通過(guò)ESR（電介質(zhì)材料tanδ 、電極和連接電纜的電阻等）消散，并且來(lái)自RL測(cè)量的能量密度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于存儲(chǔ)的能量密度（快速放電）。因此，如果RL》ESR，介質(zhì)電容器的放電效率將取決于負(fù)載條件，并且可以非常高。RL的選取影響著測(cè)試的放電速度。較大的RL意味著較大的RLC常數(shù)（C是材料的電容）較慢的放電速度。在測(cè)試中，盡管可以固定RL，但是介電材料的電容是可能不是恒定的，因?yàn)椴牧辖殡娦阅芫哂袌?chǎng)致依賴(lài)性。無(wú)論怎樣，總是可以使用負(fù)載電阻和弱場(chǎng)電容來(lái)估算放電速度，并選擇負(fù)載電阻進(jìn)行測(cè)試。
技術(shù)概述 / Technical Overview
典型的測(cè)試電路 / Typical Test Circuit
利用放電電路進(jìn)行測(cè)試 / Discharge Circuit
序言 / Preamble
擴(kuò)展性強(qiáng)
數(shù)據(jù)采集
可用作極化材料
疲勞測(cè)試
放電電流高
可作為信號(hào)源
寄生電容小，動(dòng)作時(shí)間短
電流電壓
適用多種樣品測(cè)試
變溫測(cè)試
兩種測(cè)試模式
可外接高壓放大器或高壓直流電源；
通過(guò)示波器采集數(shù)據(jù)，并能直接計(jì)算
儲(chǔ)能密度；
可用于極化材料之用；
可以進(jìn)行疲勞測(cè)試；
通過(guò)電流探頭檢測(cè)放電電流，可達(dá)100A；
可以作為一個(gè)信號(hào)源，產(chǎn)生任意波形；
本系統(tǒng)采用特殊高壓開(kāi)關(guān)，通過(guò)單刀雙擲控制充電和放電過(guò)程，開(kāi)關(guān)可以承受10kV高壓，寄生電容小，動(dòng)作時(shí)間短；
電壓10kV，電流5mA。
定制載樣平臺(tái)，可適用于陶瓷和薄膜樣品測(cè)試；
可以進(jìn)行變溫測(cè)試，RT~250℃；
實(shí)現(xiàn)欠阻尼和過(guò)阻尼兩種測(cè)試模式，欠阻尼測(cè)試時(shí)，放電回路短路，不使用電阻負(fù)載，過(guò)阻尼測(cè)試時(shí)，使用較大的精度高的無(wú)感電阻作為放電負(fù)載；
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