偏离理想的电容特性会影响能量收集应用的效率

对于能量收集，电容选择需要仔细考虑超出简单电容值的特性。在这些特性中，漏电流仍然是主要问题。然而，今天，设计人员可以找到从低泄漏电解电容到高性能超级电容器的选择，包括AVX，Kemet，Maxwell Technologies，Murata，NessCap，Seiko Instruments，Taiyo Yuden和United Chemi-Con等。《 br》在许多设计情况下，电容器经常出现在事后的想法中，并添加到电路中以清理信号和电源。在信号采集中，电容器在滤波带外源和模拟/数字转换器的采样保持级中起着更重要的作用。然而，在能量收集应用中，电容器提供了一个关键部件，用于从低能量环境源累积电荷并快速有效地将存储的电荷放电到负载中。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，电容器被认为是用于滤波，去耦以及这些器件的任何其他常见用途的恒定电容元件。出于这些目的，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发挥其作用的能力。然而，对于能量收集应用而言，偏离理想电容会显着影响整个设计的效率。

在常见效应（图1）中，等效串联电阻（ESR）和漏电流占主导地位。可能降低效率的非理想特性。高ESR会导致电容器耗散功率，尤其是在承受高交流电流时。因此，使用低ESR电容器可以在能量收集子系统中实现整体更高的效率。泄漏电流在使用极低能量环境源的设计中产生更深远的影响 - 并且在能量收集设计中应用更熟悉类型的电容器的能力上升是一个显着的限制。

《 br》图1：在能量收集应用中，等效串联电阻（ESR）和并联电阻（RL）会导致功率损耗，从而降低整体效率。 （由Analog Devices提供）

对于任何电容器，泄漏电流的大小取决于各种因素以及随时间，电压和温度的变化（图2）。从充满电的那一刻起，电容器最初表现出相对大的电流，直到它最终达到较低的恒定值。由于达到这个恒定水平所需的时间，工业实践通常依赖于仅在几分钟后测量的泄漏电流。由于难以量化电容器的非理想行为，一些制造商会将漏电流，ESR和ESL合并为一个称为耗散因数的值，该值被定义为每个周期消耗的能量与每个周期存储的能量之比 - 实际上，衡量一个电容器的低效率。

图2：电容器中的漏电流取决于多种因素，包括时间（A），电压（B）和温度（℃）。 （由Vishay提供）

泄漏电流也随着工作电压的增加而增加（图2B中的UB）;当施加的电压超过额定电压（图2B中的UR）并且通过浪涌电压US并最终通过电容器阳极的预成型电压（图2B中的UF）时，该电压显着上升。在高于浪涌电压的水平下，电容器中可能发生物理和化学反应。结果，电容器通常不在高于额定电压的水平下操作。最后，由于温度对电容器中物理和化学反应的影响，泄漏电流会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，但是传统上某些类型的泄漏电流比其他类型更大。例如，电解电容器仍然是设计的主力，但它们的泄漏特性一直是用于功率预算有限的设计的关注点。电解电容器具有高电容值和处理高电压和电流的能力，可用作传统设计工作中的基本去耦或滤波元件，也可用于太阳能逆变器的功率调节阶段。

在过去，电解电容器表现出显着的泄漏电流，这在很大程度上阻碍了它们用于从弱能源获取能量。然而，今天，材料科学和制造方面的进步使制造商能够提供具有显着更低泄漏电流的钽-MnO2电容器线。例如，AVX TRJ系列或Kemet T491系列中的电容器具有低几纳安的漏电流。虽然更先进的钽电解电容器可满足能量收集设计的效率要求，但其他电容器技术如薄膜电容器陶瓷电容器结合了小封装尺寸和性能效率（图3）。随着ESR的降低，这些器件通常具有比同类电解更长的寿命额定值和更低的漏电流。例如，AVX 1206YD226MAT2A陶瓷电容器的泄漏电流低于10 nA（3.5 V），ESR约为800 mOhm（100 Hz）。陶瓷电容器还具有非常严格的公差;例如，Murata GRM陶瓷电容器系列包括GRM0335C1ER10WA01D等部件，其公差为±0.05 pF。

图3：阻抗Z和等效串联电阻（ESR）电容器的频率和电容器类型会有很大差异。 （由Murata提供）

对于许多能量采集应用而言，电双层电容器（EDLC）或超级电容器已成为首选解决方案，提供高电容，高效率和小封装尺寸的组合电容器技术很少能够匹配。超级电容器系列，如Maxwell Technologies K2，United Chemi-Con DLCAP和NessCap UltraCap，ESR低于1 mOhm，电容值从650 F开始，采用60 mm x 72 mm和更大的封装。同时，寻求更小设计尺寸的设计人员可以找到能够在非常小的封装中提供显着电容值的超级电容器。例如，Seiko Instruments CPH3225A和Taiyo Yuden PAS系列采用3.2 mm x 2.5 mm封装，具有11 mF和14 mF元件。虽然超级电容器具有出色的能量密度，但它们的特性曲线可能要复杂得多。超级电容器组合了几个电容器，每个电容器都可以为特定器件提供相对显着的总泄漏电流（图4）。因此，设计人员可以发现他们需要接受由漏电流引起的一定程度的能量损失，以获得这些组件可用的极高密度储能容量。

图4：超级电容器由多个电容器（A）构成，每个电容器都有助于整体漏电流（B）。 （总结由Murata提供）

总之，与传统应用不同，从低能量环境源获取能量的设计需要在运行期间本身消耗很少功率的组件。虽然设计师过去可能因为其相对较高的漏电流而不合格电解电容，但今天的制造商提供的电解电容具有与许多能量收集应用相匹配的特性。虽然薄膜电容器和陶瓷电容器等替代技术具有改进的特性，紧凑的尺寸和高电容，但超级电容器以更高的泄漏和ESR为代价提供高能量密度。