偏離理想的電容特性會影響能量收集應用的效率

對于能量收集，電容選擇需要仔細考慮超出簡單電容值的特性。在這些特性中，漏電流仍然是主要問題。然而，今天，設(shè)計人員可以找到從低泄漏電解電容到高性能超級電容器的選擇，包括AVX，Kemet，Maxwell Technologies，Murata，NessCap，Seiko Instruments，Taiyo Yuden和United Chemi-Con等。《 br》在許多設(shè)計情況下，電容器經(jīng)常出現(xiàn)在事后的想法中，并添加到電路中以清理信號和電源。在信號采集中，電容器在濾波帶外源和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣保持級中起著更重要的作用。然而，在能量收集應用中，電容器提供了一個關(guān)鍵部件，用于從低能量環(huán)境源累積電荷并快速有效地將存儲的電荷放電到負載中。在這些應用中，電容器特性和元件選擇成為設(shè)計中的重要因素。

在電路設(shè)計中，電容器被認為是用于濾波，去耦以及這些器件的任何其他常見用途的恒定電容元件。出于這些目的，理想電容器的特性與實際電容器的特性之間的差異通常不會極大地影響它們充分發(fā)揮其作用的能力。然而，對于能量收集應用而言，偏離理想電容會顯著影響整個設(shè)計的效率。

在常見效應（圖1）中，等效串聯(lián)電阻（ESR）和漏電流占主導地位。可能降低效率的非理想特性。高ESR會導致電容器耗散功率，尤其是在承受高交流電流時。因此，使用低ESR電容器可以在能量收集子系統(tǒng)中實現(xiàn)整體更高的效率。泄漏電流在使用極低能量環(huán)境源的設(shè)計中產(chǎn)生更深遠的影響 - 并且在能量收集設(shè)計中應用更熟悉類型的電容器的能力上升是一個顯著的限制。

《 br》圖1：在能量收集應用中，等效串聯(lián)電阻（ESR）和并聯(lián)電阻（RL）會導致功率損耗，從而降低整體效率。 （由Analog Devices提供）

對于任何電容器，泄漏電流的大小取決于各種因素以及隨時間，電壓和溫度的變化（圖2）。從充滿電的那一刻起，電容器最初表現(xiàn)出相對大的電流，直到它最終達到較低的恒定值。由于達到這個恒定水平所需的時間，工業(yè)實踐通常依賴于僅在幾分鐘后測量的泄漏電流。由于難以量化電容器的非理想行為，一些制造商會將漏電流，ESR和ESL合并為一個稱為耗散因數(shù)的值，該值被定義為每個周期消耗的能量與每個周期存儲的能量之比 - 實際上，衡量一個電容器的低效率。

圖2：電容器中的漏電流取決于多種因素，包括時間（A），電壓（B）和溫度（℃）。 （由Vishay提供）

泄漏電流也隨著工作電壓的增加而增加（圖2B中的UB）;當施加的電壓超過額定電壓（圖2B中的UR）并且通過浪涌電壓US并最終通過電容器陽極的預成型電壓（圖2B中的UF）時，該電壓顯著上升。在高于浪涌電壓的水平下，電容器中可能發(fā)生物理和化學反應。結(jié)果，電容器通常不在高于額定電壓的水平下操作。最后，由于溫度對電容器中物理和化學反應的影響，泄漏電流會隨著環(huán)境溫度的升高而增加。漏電流是所有電容器類型的特征，但是傳統(tǒng)上某些類型的泄漏電流比其他類型更大。例如，電解電容器仍然是設(shè)計的主力，但它們的泄漏特性一直是用于功率預算有限的設(shè)計的關(guān)注點。電解電容器具有高電容值和處理高電壓和電流的能力，可用作傳統(tǒng)設(shè)計工作中的基本去耦或濾波元件，也可用于太陽能逆變器的功率調(diào)節(jié)階段。

在過去，電解電容器表現(xiàn)出顯著的泄漏電流，這在很大程度上阻礙了它們用于從弱能源獲取能量。然而，今天，材料科學和制造方面的進步使制造商能夠提供具有顯著更低泄漏電流的鉭-MnO2電容器線。例如，AVX TRJ系列或Kemet T491系列中的電容器具有低幾納安的漏電流。雖然更先進的鉭電解電容器可滿足能量收集設(shè)計的效率要求，但其他電容器技術(shù)如薄膜電容器陶瓷電容器結(jié)合了小封裝尺寸和性能效率（圖3）。隨著ESR的降低，這些器件通常具有比同類電解更長的壽命額定值和更低的漏電流。例如，AVX 1206YD226MAT2A陶瓷電容器的泄漏電流低于10 nA（3.5 V），ESR約為800 mOhm（100 Hz）。陶瓷電容器還具有非常嚴格的公差;例如，Murata GRM陶瓷電容器系列包括GRM0335C1ER10WA01D等部件，其公差為±0.05 pF。

圖3：阻抗Z和等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器的頻率和電容器類型會有很大差異。 （由Murata提供）

對于許多能量采集應用而言，電雙層電容器（EDLC）或超級電容器已成為首選解決方案，提供高電容，高效率和小封裝尺寸的組合電容器技術(shù)很少能夠匹配。超級電容器系列，如Maxwell Technologies K2，United Chemi-Con DLCAP和NessCap UltraCap，ESR低于1 mOhm，電容值從650 F開始，采用60 mm x 72 mm和更大的封裝。同時，尋求更小設(shè)計尺寸的設(shè)計人員可以找到能夠在非常小的封裝中提供顯著電容值的超級電容器。例如，Seiko Instruments CPH3225A和Taiyo Yuden PAS系列采用3.2 mm x 2.5 mm封裝，具有11 mF和14 mF元件。雖然超級電容器具有出色的能量密度，但它們的特性曲線可能要復雜得多。超級電容器組合了幾個電容器，每個電容器都可以為特定器件提供相對顯著的總泄漏電流（圖4）。因此，設(shè)計人員可以發(fā)現(xiàn)他們需要接受由漏電流引起的一定程度的能量損失，以獲得這些組件可用的極高密度儲能容量。

圖4：超級電容器由多個電容器（A）構(gòu)成，每個電容器都有助于整體漏電流（B）。 （總結(jié)由Murata提供）

總之，與傳統(tǒng)應用不同，從低能量環(huán)境源獲取能量的設(shè)計需要在運行期間本身消耗很少功率的組件。雖然設(shè)計師過去可能因為其相對較高的漏電流而不合格電解電容，但今天的制造商提供的電解電容具有與許多能量收集應用相匹配的特性。雖然薄膜電容器和陶瓷電容器等替代技術(shù)具有改進的特性，緊湊的尺寸和高電容，但超級電容器以更高的泄漏和ESR為代價提供高能量密度。