[發(fā)明專利]一種非線性電容器的脈沖放電模擬方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210263454.2
• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN114636903A
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王根水;夏家科;曹菲;閆世光
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明公開了一種非線性電容器的脈沖放電模擬方法及系統(tǒng)。該方法包括獲取介質(zhì)材料或者電容器的電荷量?電壓關(guān)系；獲取待模擬的放電回路的電路參數(shù)，建立放電回路的基爾霍夫方程；迭代計(jì)算：根據(jù)電荷量?電壓關(guān)系，求解基爾霍夫方程，得到模擬放電電流和時(shí)間的數(shù)值數(shù)列，實(shí)現(xiàn)對非線性電容器的脈沖放電信號的模擬。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地模擬非線性電容器的脈沖放電電流，有助于清晰地判斷出相關(guān)物理場對放電電流的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電容器脈沖放電信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種非線性電容器的脈沖放電模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

脈沖功率技術(shù)是一種將能量緩慢存儲，并在短時(shí)間內(nèi)向負(fù)載釋放的電物理技術(shù)，在國防、前沿科學(xué)、民用等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。其能量存儲方式可以選擇電容器儲能。并且隨著脈沖功率裝置向小型化、輕量化、集成化方向發(fā)展，具有高儲能密度的電容器絕緣介質(zhì)材料逐漸成為研究熱點(diǎn)，如反鐵電材料，弛豫鐵電材料等。以這些材料為介質(zhì)的電容器具有介電非線性特征，即電容隨外加電壓會先增大后減小。具體在放電信號上表現(xiàn)為：欠阻尼放電電流的峰值隨外加電壓呈非線性關(guān)系；欠阻尼放電電流達(dá)到峰值所需要的時(shí)間發(fā)生變化。這些結(jié)果都與線性電容器脈沖放電的結(jié)果不同：線性電容器的欠阻尼放電電流的峰值隨外加電壓呈正比例關(guān)系；欠阻尼放電電流達(dá)到峰值所需要的時(shí)間不隨外電壓大小變化。實(shí)際應(yīng)用中對欠阻尼放電情況，更加關(guān)心放電電流峰值的大小。放電電流峰值的非線性變化則增加了實(shí)驗(yàn)分析的難度。因此需要一種非線性電容器放電的模擬方法。

目前，本領(lǐng)域通常采用基爾霍夫電壓定律對電阻-電容(RC)放電回路或電阻-電感-電容(RLC)放電回路建立方程來描述電容器的放電特性。該方程在電容、電阻和電感為固定值時(shí)有解析解。現(xiàn)有的研究都是基于該解析解進(jìn)行放電信號的模擬或擬合，但還沒有對非線性電容展開模擬研究。由于非線性電容器的容值不是固定值，通過近似用線性電容器放電方程的解析解來描述非線性電容器的放電特性時(shí)，會丟失非線性帶來的影響。因此，建立非線性電容器的脈沖放電信號模擬方法對非線性電容器的開發(fā)與利用有極大的幫助。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種非線性電容器的脈沖放電模擬方法及系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)或理論模型等手段獲得的介質(zhì)材料或電容器的電滯回線數(shù)據(jù)，并通過數(shù)值迭代計(jì)算的方法求解基爾霍夫回路方程，能夠準(zhǔn)確地模擬非線性電容器的脈沖放電電流，有助于清晰地判斷出相關(guān)物理場對放電電流的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種非線性電容器的脈沖放電模擬方法，包括：獲取介質(zhì)材料或者電容器的電荷量-電壓關(guān)系；獲取待模擬的放電回路的電路參數(shù)，建立放電回路的基爾霍夫方程；迭代計(jì)算：根據(jù)電荷量-電壓關(guān)系，求解基爾霍夫方程，得到模擬放電電流和時(shí)間的數(shù)值數(shù)列，實(shí)現(xiàn)對非線性電容器的脈沖放電信號的模擬。

在一些實(shí)施例中，上述獲取介質(zhì)材料或者電容器的電荷量-電壓關(guān)系具體包括：獲取介質(zhì)材料的電滯回線數(shù)據(jù)；將電滯回線數(shù)據(jù)中的極化強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電容器的電荷量，將電滯回線數(shù)據(jù)中的電場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電容器兩端的電壓，得到介質(zhì)材料或者電容器的電荷量-電壓關(guān)系。

在一些實(shí)施例中，待模擬的放電回路為RC放電回路，電路參數(shù)包括放電回路的電阻值，所建立的基爾霍夫方程為其中，q為電容器的電荷量，t為時(shí)間，R為放電回路的電阻，Uc為電容器兩端的電壓。

在一些實(shí)施例中，上述迭代計(jì)算過程進(jìn)一步包括：

S1：獲取t＝0時(shí)電容器兩端的電壓Uc；

S2：根據(jù)電容器兩端的電壓Uc以及電荷量-電壓關(guān)系，計(jì)算得到電荷量q；根據(jù)電容器兩端的電壓Uc，求解放電回路的基爾霍夫方程得到的值，結(jié)合預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔Δt，計(jì)算得到經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間間隔Δt之后的電荷量q；以及根據(jù)經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間間隔Δt之后的電荷量q以及電荷量-電壓關(guān)系，得到經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間間隔Δt之后的電容器兩端的電壓Uc；

S3：判斷電容器兩端的電壓Uc是否達(dá)到期望的值，是則終止迭代，否則返回步驟S2。