電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)
一、電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)技術(shù)概論：
Huace-DCS10KV電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)主要用于研究介電儲能材料高電壓放電性能。目前常規(guī)的方法是通過電滯回線計算高壓下電介質(zhì)的能量密度，測試時，樣品的電荷是放回到高壓源上，而不是釋放到負載上，通過電滯回線測得的儲能密度一般會大于樣品實際釋放的能量密度，無法正確評估電介質(zhì)材料的正常放電性能。華測Huace-DCS10KV儲能電介質(zhì)充放電系統(tǒng)采用**設(shè)計的電容放電電路來測量，測試電路如下圖所示。在該電路中，首先將介電膜充電到給定電壓，之后通過閉合高速MOS高壓開關(guān)，存儲在電容器膜中的能量被放電到電阻器負載的原理設(shè)計開發(fā)，更符合電介質(zhì)充放電原理。
二、電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)產(chǎn)品介紹：
在實 際應(yīng)用中，當電介質(zhì)或電容器充電后，存儲的能量被放電到外部負載，放電過程由負載、電工互連和電容器組成的整個電 路決定，有時甚至電纜的長度變化也會強烈的影響放電過程、電壓和電流波形。因此P-E回滯測量的放電條件與實際實用中的放電條件明顯不同，并且在實際應(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）真實的放電能量密度。為了評估介電材料在類似于現(xiàn)實應(yīng)用的放電條件下的性能，另一種測試方式用于測量介電材料的儲能特性。在測量過程中，首先將介電材料充電到給定的電壓，然后，將電容器中的存儲的能量放電到外部負載，如下圖（1），經(jīng)測試的介電材料可以建模為理想的無損耗電容，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，當外部負載電阻RL》ESR時，大部分儲存的能量將通過ESR（電介質(zhì)材料tanδ 、電極和連接電纜的電阻等）消散，并且來自RL測量的能量密度將遠遠小于存儲的能量密度（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載條件，并且可以非常高。RL的選 取影響著測試的放電速度。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，因為材料介電性能具有場致依賴性。無論怎樣，總是可以使用負載電阻和弱場電容來估算放電速度，并選擇負載電阻進行測試。
儲能電介電放電行為
1. 典型的測試電路
華測Huace-DCS10KV儲能電介質(zhì)充放電系統(tǒng)采用**設(shè)計的電容放電電路來測量，測試電路如下圖所示。在該電路中，首先將
介電膜充電到給定電壓，之后通過閉合高速MOS高壓開關(guān)，存儲在電容器膜中的能量被放電到電阻器負載。在放電過程中電壓
對樣品的時間依賴性可以通過檢波器進行記錄。介電材料的儲能性能通常取決于放電速度，可通過改變負載電阻器的電阻來
調(diào)節(jié)。通常測試系統(tǒng)中裝了具有不同電阻的電阻器。在測試過程中，用戶需要選擇電阻器或幾個電阻器的組合獲得得所需的
電阻，并將電阻器或電阻的組合連接到測試的電介質(zhì)材料。在該電路中，選擇高壓MOSFET開關(guān)以釋放儲存的能量非常重要。
該開關(guān)限制電路的*大放電速度和*大充電電壓。本套測試系統(tǒng)由放電采集電路、高壓放大器或高壓直流電源和控制計算機
構(gòu)成。在測試中，測試人員需要通過選擇合適的電阻來確定測量的放電速度，測試樣品上的電壓可以由計算機自動獲得。
電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：
1、電流探頭帶寬：120MHz；
2、峰值電流：0-100A，150 A(多種電流可監(jiān)測）；
3、電流采集精度：1mA；
4、高壓源模塊：3KV，5KV， 10kV，15KV多可選（電流：0-5mA）；
5、開關(guān)適用：100萬次，耐壓15kV；
6、溫控范圍：0-200℃；
7、溫度穩(wěn)定性和精度：0.1℃；
8、測試樣品：薄膜，厚膜，陶瓷，玻璃等；
9、可以配合各種極化設(shè)備進行多種壓電材料和介電材料的測試。
電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)產(chǎn)品特點：
1、 本系統(tǒng)采用特殊高壓開關(guān)，通過單刀雙擲控制充電和放電過程，開關(guān)可以承受10kV高壓，寄生電容小，動作時間短；
2、 電壓10kV，電流5mA；
3、 可外接高壓放大器或高壓直流電源；
4、 通過電流探頭檢測放電電流，可達100A；
5、 可以實現(xiàn)欠阻尼和過阻尼兩種測試模式，欠阻尼測試時，放電回路短路，不使用電阻負載，過阻尼測試時，使用較大的高精 度無感電阻作為放電負載；
6、 可以作為一個信號源，產(chǎn)生任意波形；
7、 通過示波器采集數(shù)據(jù)，并能直接計算儲能密度；
8、 定制載樣平臺，可適用于陶瓷和薄膜樣品測試；
9、 可以進行變溫測試，RT~200℃；
10、 可以進行疲勞測試；
11、 還可用于極化材料之用。
電介質(zhì)充放電系統(tǒng)的測量－技術(shù)概述
利用放電電路進行測試
與P-E回滯測量類似，在放電測試之前，應(yīng)在介電材料的表面制備導(dǎo)電電極，還應(yīng)測量可用于估計測試的放電速度的弱場介電特性。因為在測試中經(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。放電速度可以通過樣品的低場電容C和負載電阻RL(RLC常數(shù)）粗略計算。一旦確定了期望的放電速度，就可以選擇負載電阻器并將其連接到 測試樣品，然后將充電電壓施加到介電材料。一旦樣品充電，然后通過按下電路盒上的放電按鈕關(guān)閉高速開關(guān)，將儲存的能量釋放到負載電阻器，電阻器上電壓的時間依賴性就可由計算機自動記錄。
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，表征三元共聚物對負載電阻器的放電行為。使用時間相關(guān)的電壓數(shù)據(jù)公式，可以計算放電能量密度的時間依賴性。圖中顯示了三元共聚物中不同充電電場的1MΩ負載的放電能量密度隨時間的變化?？偡烹娔芰棵芏扰c從單極P-E回路推導(dǎo)出的能量密度相當。這里
使用薄膜樣品的電容在1kHz下測量為約1nF。對幾種三元共聚物膜樣品進行表征發(fā)現(xiàn)，由于極化響應(yīng)的非線性和頻率依賴性，三元共聚物的放電特性不能簡單地通過RC常數(shù)來描述，其中R是電阻(R=RL+ESR)假設(shè)電容器電容不隨頻率、電場和RC電路的時間常數(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的負載電阻，利用公式來估算能量放電時間。70％能量釋放所需理論放電時間為0.6ms，50％能量釋放所需理論放電時間為0.35ms。而實驗中，這兩種能量釋放所需放電時間分別為0.66ms和0.3ms。估計值和測量值之間的差異反映了非線性［有效介電常數(shù)在高場（＞100MV／m）變小］和介電響應(yīng)的頻率依賴性（介電常數(shù)在更高頻率或更短放電時間下變得更?。４送?，ESR在高頻（或短放電時間）下很小，并且在放電后時間變長。對于相同的三元共聚物薄膜電容器，其他負載電阻（(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會縮短放電時間。然而，仔細檢查實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，放電時間的減少與RL的減少不成比例。
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電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng) 可外接高壓放大器
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