在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种陶瓷电热体驱动技术，尤其涉及一种在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的方法及装置。

背景技术

陶瓷电热体是一种常见的零件，常见于加热器、点火器等装置中，使用时，陶瓷电热体一般由直流电源供电；存在的问题是：

一方面，陶瓷电热体一般采用离子电导、电子电导的陶瓷材料制作，而离子电导的陶瓷材料被加热到一定的温度时，在直流电压作用下，陶瓷材料中的金属离子会向负极迁移，从而发生氧化还原反应，同时，金属离子会在负极处积聚形成空间电荷，长期使用后，陶瓷材料的绝缘电阻会逐渐变大；另一方面，对于装置中的其他电子材料而言，其金属电极在一定温度和强直流作用下会参与氧化还原反应，在正极处丢失电子形成金属离子，而金属离子会逐渐扩散到电子材料中，引起电子材料老化；前述的由直流供电导致的电化学老化问题，会使材料的介电常数、电阻率出现较大的变化，直接影响产品质量稳定性。

从前面的介绍不难看出，问题的根源在于直流供电所导致的金属离子长期定向迁移，一种简单的解决思路是采用交流供电，但实际情况却不允许：首先，对于只能提供直流供电的应用场景，不存在换用交流供电的可行性，其次，现有的采用直流供电的产品，其各项技术指标都是以直流供电作为前提来设计的，如果要换用交流供电，需要对产品进行重新设计，研发成本较高。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的方法，其创新在于：所涉及的硬件包括陶瓷电热体、直流电源和控制单元；所述直流电源输出端的正极与控制单元的端子一连接，直流电源输出端的负极与控制单元的端子二连接，控制单元的端子三与陶瓷电热体输入端的正极连接，控制单元的端子四与陶瓷电热体输入端的负极连接；

所述控制单元具有模式一和模式二两种工作模式，控制单元启动后，控制单元交替工作于模式一和模式二；

在模式一条件下，控制单元使端子一与端子三匹配、端子二与端子四匹配，此时，控制单元以脉冲方式将直流电源的电能传输至陶瓷电热体；

在模式二条件下，控制单元使端子一与端子四匹配、端子二与端子三匹配，此时，控制单元以脉冲方式将直流电源的电能传输至陶瓷电热体。

前述方案中记载了“端子一与端子三匹配、端子二与端子四匹配”以及“端子一与端子四匹配、端子二与端子三匹配”，其中的匹配是为了体现单种模式下端子之间的对应关系，考虑到方案中在单种模式下需要采用脉冲方式传输电能，直接将端子之间的关系表述为“导通”或“连接”显然是不准确的，因此才采用了“匹配”，发明人认为，结合本发的说明书中的讲解，具备相关电学知识的本领域技术人员应该是能够理解“匹配”的技术含义的。

本发明的原理是：一方面，控制单元启动后，控制单元能交替工作于模式一和模式二，在模式一和模式二中，直流电源输出端正负极与陶瓷电热体输入端正负极的对应关系相反，两种模式下，材料中的金属离子在电流作用下的迁移方向是相反的，这就可以有效避免金属离子长期单向迁移，另一方面，在单种模式下，直流电源使以脉冲方式向陶瓷电热体输出电能，这就可以有效避免直流电压长期持续作用，有效降低金属离子的迁移进度，在前述两方面作用下，就能有效抑制直流供电带来的负面效果，使陶瓷电热体的寿命得到延长，从而保证产品性能稳定。

优选地，所述控制单元包括控制器和基于H桥式电路的正反换向电路；所述正反换向电路包括四个高速开关元件和相应的连接导线，四个高速开关元件分别记为开关一、开关二、开关三和开关四；单个高速开关元件包括连接端一、连接端二和控制端，控制端与控制器连接，控制器通过向控制端输出高低电平来控制连接端一和连接端二的导通、断开；开关一和开关二的连接端一并联在端子一上，开关一和开关三的连接端二并联在端子三上，开关二和开关四的连接端二并联在端子四上，开关三和开关四的连接端一并联在端子二上。具体实施时，在模式一条件下，控制器控制开关二、开关三断开，同时，控制器控制开关一和开关四中的一者导通、另一者快速地重复导通、关断动作；模式二条件下，控制器控制开关一、开关四断开，同时，控制器控制开关二和开关三中的一者导通、另一者快速地重复导通、关断动作。

基于H桥式电路的正反换向电路是一种十分常见的电路，此优选方案仅介绍了实现控制单元基本功能的必要元件，更为完善的电路结构，本领域技术人员可根据实际情况参考现有技术合理设计，如第CN201310363790.5号中国专利所公开的正反换向脉冲电源。

优选地，所述陶瓷电热体采用离子电导的陶瓷材料制作。

基于前述方案，本发明还提出了一种在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的装置，其创新在于：所述装置包括陶瓷电热体、直流电源和控制单元；所述直流电源输出端的正极与控制单元的端子一连接，直流电源输出端的负极与控制单元的端子二连接，控制单元的端子三与陶瓷电热体输入端的正极连接，控制单元的端子四与陶瓷电热体输入端的负极连接；所述控制单元包括控制器和基于H桥式电路的正反换向电路；所述正反换向电路包括四个高速开关元件和相应的连接导线，四个高速开关元件分别记为开关一、开关二、开关三和开关四；单个高速开关元件包括连接端一、连接端二和控制端，控制端与控制器连接，控制器通过向控制端输出高低电平来控制连接端一和连接端二的导通、断开；开关一和开关二的连接端一并联在端子一上，开关一和开关三的连接端二并联在端子三上，开关二和开关四的连接端二并联在端子四上，开关三和开关四的连接端一并联在端子二上。

优选地，装置中的陶瓷电热体采用离子电导的陶瓷材料制作。

本发明的有益技术效果是：提出了一种在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的方法及装置，该方案可有效改善陶瓷电热体的老化问题，提高陶瓷电热体的寿命，保证产品性能长期稳定。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、控制单元的电气原理示意图（图中虚线表示控制端与控制器之间的电气线路）；

图中各个标记所对应的名称分别为：端子一1、端子二2、端子三3、端子四4、控制器P、开关一K1、开关二K2、开关三K3、开关四K4、陶瓷电热体A、直流电源B、控制单元C。

具体实施方式

一种在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的方法，其创新在于：所涉及的硬件包括陶瓷电热体、直流电源和控制单元；所述直流电源输出端的正极与控制单元的端子一1连接，直流电源输出端的负极与控制单元的端子二2连接，控制单元的端子三3与陶瓷电热体输入端的正极连接，控制单元的端子四4与陶瓷电热体输入端的负极连接；

所述控制单元具有模式一和模式二两种工作模式，控制单元启动后，控制单元交替工作于模式一和模式二；

在模式一条件下，控制单元使端子一1与端子三3匹配、端子二2与端子四4匹配，此时，控制单元以脉冲方式将直流电源的电能传输至陶瓷电热体；

在模式二条件下，控制单元使端子一1与端子四4匹配、端子二2与端子三3匹配，此时，控制单元以脉冲方式将直流电源的电能传输至陶瓷电热体。

进一步地，所述控制单元包括控制器P和基于H桥式电路的正反换向电路；所述正反换向电路包括四个高速开关元件和相应的连接导线，四个高速开关元件分别记为开关一K1、开关二K2、开关三K3和开关四K4；单个高速开关元件包括连接端一、连接端二和控制端，控制端与控制器P连接，控制器P通过向控制端输出高低电平来控制连接端一和连接端二的导通、断开；开关一K1和开关二K2的连接端一并联在端子一1上，开关一K1和开关三K3的连接端二并联在端子三3上，开关二K2和开关四K4的连接端二并联在端子四4上，开关三K3和开关四K4的连接端一并联在端子二2上。

进一步地，所述陶瓷电热体采用离子电导的陶瓷材料制作。

一种在直流供电条件下提高陶瓷电热体寿命的装置，其创新在于：所述装置包括陶瓷电热体、直流电源和控制单元；所述直流电源输出端的正极与控制单元的端子一连接，直流电源输出端的负极与控制单元的端子二连接，控制单元的端子三与陶瓷电热体输入端的正极连接，控制单元的端子四与陶瓷电热体输入端的负极连接；所述控制单元包括控制器P和基于H桥式电路的正反换向电路；所述正反换向电路包括四个高速开关元件和相应的连接导线，四个高速开关元件分别记为开关一K1、开关二K2、开关三K3和开关四K4；单个高速开关元件包括连接端一、连接端二和控制端，控制端与控制器P连接，控制器P通过向控制端输出高低电平来控制连接端一和连接端二的导通、断开；开关一K1和开关二K2的连接端一并联在端子一1上，开关一K1和开关三K3的连接端二并联在端子三3上，开关二K2和开关四K4的连接端二并联在端子四4上，开关三K3和开关四K4的连接端一并联在端子二2上。

进一步地，装置中的陶瓷电热体采用离子电导的陶瓷材料制作。