电容器特性对能量收集效率的影响_A奉献经验的博客-程序员信息网

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       对于能量收集,电容器选择需要仔细考虑超出简单电容值的特性。在这些特性中,泄漏电流仍然是首要关注的问题。然而,今天,设计者可以从低泄漏电解电容器到高性能超级电容器的选择,包括AVX、Kemet、麦斯威尔技术、村田、NESCAP、精工仪器、台哟宇扥和联合CIMICON等。

  电容器经常出现在许多设计情况下的事后考虑,添加到电路中清理信号和电源。在信号采集中,电容器在滤波带外源和模拟/数字转换器的采样和保持级中起着更中心的作用。然而,在能量收集应用中,电容器提供了用于从低能量环境源蓄积电荷并快速且有效地将存储电荷释放到负载中的关键部件。在这些应用中,电容器特性和元件选择成为设计中的重要因素。

  在电路设计中的传统角色中,电容器被认为是用于滤波、解耦和这些设备的任何其他熟悉用途的恒定电容元件。对于这些目的,理想电容器的特性与实际电容器的特性之间的差异通常不会极大地影响它们充分填充其作用的能力。然而,对于能量收集应用,从理想电容器的偏离显著地影响整个设计的效率。

  在共同的效果(图1)中,等效串联电阻(ESR)和漏电流占据了一个非理想特性的阵列,其可以降低效率。高ESR导致电容器耗散功率,特别是当受到高AC电流时。因此,低ESR电容器的使用导致能量收集子系统的整体效率更高。漏电流在使用非常低能量环境源的设计中施加更深刻的影响,并且作为在能量收集设计中应用更常见类型的电容器的能力的显著限制而上升。

  模拟器件的ESR和并联电阻图像


  图1:在能量收集应用中,等效串联电阻(ESR)和并联电阻(RL)导致功率损耗,从而侵蚀整体效率。

  对于任何电容器,泄漏电流的量取决于各种因素,随时间、电压和温度而变化(图2)。从完全充电的那一刻起,电容器最初表现出一个比较大的电流,直到它最终达到一个较低的恒定值。作为达到这个恒定水平所需的时间的结果,工业实践通常依赖于仅几分钟后的泄漏电流的测量。由于量化电容器的非理想行为的困难,一些制造商将泄漏电流、ESR和ESL组合为一个称为耗散因子的单一值,该耗散因子被定义为每个周期消耗的能量与每个周期存储的能量的比率,即,测量值。电容器效率低下的原因。

  电容器中VISHAY泄漏电流的图像


  图2:电容器中的泄漏电流取决于多种因素,包括时间(A)、电压(B)和温度(C)。(礼节)

  泄漏电流也随着工作电压(图2B中的UB)而增加;随着施加电压超过额定电压(图2B中的UR)而显著上升,并通过浪涌电压美国,最终电容器阳极的预成形电压(图2B中的UF)。在浪涌电压以上的水平上,电容器中会发生物理和化学反应。结果,电容器通常不在额定电压以上的水平下工作。最后,由于温度对电容器中的物理和化学反应的影响,泄漏电流可以随着环境温度的升高而增加。

  漏电流是所有电容器类型的特征,但是一些类型传统上表现出比其他类型的更大的泄漏电流。例如,电解电容器仍然是设计的工作母马,但它们的泄漏特性一直被用于限制功率预算的设计中。提供高电容值和处理高电压和电流的能力,电解电容器在传统的设计工作中起到了基本的去耦或滤波部件的作用,用于在太阳能逆变器中的功率调节级中。

  在过去,电解电容器表现出明显的泄漏电流,这在很大程度上排除了它们在来自弱能源的能量收集中的用途。然而,今天,在材料科学和制造方面的进步使制造商能够提供表现出更低的漏电流的钽-MnO2电容器线。例如,在AVX TrJ线路或KEMET T491线路中的电容器在低几十纳米放大器中具有漏电流。

  虽然更先进的钽电解电容器能够满足能量收集设计中的效率要求,但是诸如薄膜电容器和陶瓷电容器的其他电容技术提供了小封装尺寸和性能效率的组合(图3)。随着ESR降低,这些器件典型地具有比可比电解质更长的寿命额定值和更低的泄漏电流。例如,AVX 120 6YD226MAT2A陶瓷电容器表现出泄漏电流低于10纳特(在3.5 V)和ESR约800莫霍(100赫兹)。陶瓷电容器也具有非常严格的公差;例如,村田GRM陶瓷电容器系列包括GRM0335C1E10WA01D等部件,其容差为±0.05 pF。

  村田阻抗Z的图像和电容器的等效串联电阻


  图3:电容器的阻抗Z和等效串联电阻(ESR)可以在频率和电容器类型之间发生显著变化。

  对于许多能量收集应用来说,双电层电容器(EDLC)或超级电容器已经成为优选的解决方案,提供了高电容、效率和小封装尺寸的组合,传统的电容器技术很少能够匹配。超级电容器家族,如麦斯威尔技术K2,联合Cimi-Con DLCAP和NESCAP ULCATRAP提供ESR低于1 MOHM,电容值开始在650毫米在60毫米×72毫米和更大的封装。同时,寻找更小设计足迹的设计者可以找到超级电容器,这些电容器在非常小的封装中提供显著的电容值。例如,精工仪器CPH32 25A和太阳YUDEN PAS系列具有11 MF和14 MF组件在3.2毫米×2.5毫米封装。

  虽然超级电容器提供了优越的能量密度,但是它们的特性曲线可以更复杂。超级电容器组合了多个电容器,每个电容器可以为一个特定的器件提供一个相对显著的总泄漏电流(图4)。因此,设计者可以发现它们需要接受由于泄漏电流引起的能量损失程度,以获得具有这些组件的非常高的密度储能容量。

  由多个电容器构成的村田超级电容器图像


  图4:超级电容器是由多个电容器(A)构成的,每个电容器都有助于整体泄漏电流(B)。

  综上所述,不同于传统应用,从低能量环境源获取能量的设计需要在运行期间消耗很少功率的部件。虽然设计者可能在过去由于其相对高的漏电流而使电解电容器不合格,但是制造商现在提供了与许多能量收集应用匹配的特性的电解电容器。虽然替代技术,如薄膜电容器和陶瓷电容器提供了改进的特性,紧凑的尺寸和高电容,超级电容器以高泄漏和ESR的成本提供高能量密度。

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