電容特性影響能量收集效率

為能量收集，電容的選擇需要慎重考慮超越了簡單的電容值的特點。在這些特性，漏電流仍然是一個主要問題。然而，今天，設計師可以找到選擇，從低漏電電解電容，以高性能的超級電容器從制造商，包括AVX，KEMET，麥克斯韋技術，村田，NessCap，精工電子，太陽誘電，和聯(lián)合國貴彌功，等等。電容經(jīng)常出現(xiàn)在許多設計情況的事后，加入到電路清理信號和電源。在信號采集，電容器起到濾除帶外源和在取樣和保持階段用于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器更重要的作用。在能量收集應用程序，然而，電容器，用于累積的電荷從低能量的環(huán)境來源，迅速和有效地釋放所存儲的電荷成一個負載提供的一個關鍵組成部分。在這些應用中，電容器特性和組件的選擇上升為重要因素的設計。在他們中的電路設計的傳統(tǒng)角色，電容器被認為是恒定電容分量進行濾波，解耦，和其它任何熟悉用途這些設備。對于這些目的，一個理想的電容器的特性和那些真正的電容之間的差異通常不會大大影響他們充分填補他們的作用的能力。用于能量采集應用程序，然而，從理想電容器出發(fā)顯著影響的設計作為一個整體的效率。之間的共同作用(圖1)，等效串聯(lián)電阻(ESR)和漏電流占主導地位的，可能降低效率非理想特性的陣列。高ESR引起電容消耗功率，特別是當受到高交流電流。這樣，在一個能量收集子系統(tǒng)使用低ESR的電容器導致總體更高的效率。漏電流施加在采用極低能量的環(huán)境來源的設計更深遠的影響 - 并上升作為在能量采集設計應用更熟悉類型的電容器的能力的顯著限制。

圖1：在能量采集應用，等效串聯(lián)電阻(ESR)和并聯(lián)電阻(RL)結(jié)果在其侵蝕整體效率的功率損耗。(Analog Devices公司提供)對于任何電容器，漏電流的量取決于多種因素，并隨著時間的推移，電壓和溫度(圖2)的變化。的那一刻起就被完全充電，電容器表現(xiàn)出相對較大的電流流動開始，直到它最終達到一個較低的恒定值。作為達到這一恒定電平所需的時間。結(jié)果，工業(yè)實踐通常依賴于測量只有幾分鐘后拍攝的漏電流。因為在量化的電容器的非理想行為的困難，一些制造商將結(jié)合成一個單一的值漏電流，ESR和ESL的稱為耗散因子，其被定義為能量比每個周期消散到能量每個周期存儲 - 實際上，電容器的低效率的量度。

圖2：在電容器漏電流的大小取決于多種因素，包括時間(A)，電壓(B)和溫度(℃)。漏電流(威世提供)還與工作電壓(UB圖2B)增加;作為施加電壓超過額定電壓(UR在圖2B)，并傳遞電容器陽極的浪涌電壓美國和最終預成形電壓(UF在圖2B)顯著上升。在上面的浪涌電壓電平，物理和化學反應可以發(fā)生在電容器。其結(jié)果是，電容器一般不以額定電壓以上的水平操作。最后，泄漏電流可以隨環(huán)境溫度的升高增加由于溫度對電容器的物理和化學反應的影響。漏電流特性電容所有類型的，但有些類型的傳統(tǒng)表現(xiàn)出更大的漏電流比其他人。例如，電解電容的設計保持的主力，但其泄漏特性一直為在有限的功率預算設計中使用的關注。提供高電容值，并處理高電壓和電流的能力，電解電容填充的作用，從作為傳統(tǒng)的設計工作在功率調(diào)節(jié)階段，太陽能逆變器使用一個基本脫鉤或過濾組件。在過去，電解電容器表現(xiàn)出顯著漏電流在很大程度上妨礙了它們在能量收集使用從弱能源。然而，今天的進步在材料科學和制造已使制造商能夠提供表現(xiàn)出顯著降低漏電流鉭二氧化錳電容線。例如，在AVX TRJ線或在低幾十納安的Kemet的T491線要素的泄漏電流的電容器。而更高級的鉭電解電容器能滿足在能量收集設計效率的要求，其他電容器技術，如薄膜電容器和陶瓷電容器提供的小封裝尺寸和性能效率(圖3)的組合。伴隨著較低的ESR，這些設備通常擁有更長的使用壽命評級和低漏電流比同類電解電容。例如，AVX 1206YD226MAT2A陶瓷電容器展品泄漏低于10 nA的(在3.5 V)和ESR的約800毫歐(100赫茲)的電流。陶瓷電容器還具有非常嚴格的公差;例如，村田GRM陶瓷電容器系列包括部件，如GRM0335C1ER10WA01D該功能的±0.05 pF的耐受性。

圖3：電容器的阻抗Z和等效串聯(lián)電阻(ESR)可以顯著變化，在頻率和電容器類型。(村田制作所提供)對于許多能量收集應用程序，雙電層電容器(EDLC)，或超級電容器，已成為首選的解決方案，提供高容量，效率和小尺寸封裝，傳統(tǒng)電容技術是組合很少能夠匹配。超級家庭如麥克斯韋技術K2，美貴彌功DLCAP，并低于1毫歐NessCap ULTRACAP報價與ESR電容值60毫米×72毫米和更大的包從650 F。與此同時，設計者尋找一個較小的設計尺寸可以發(fā)現(xiàn)超級電容器，提供顯著電容值在非常小的封裝。例如，精工電子CPH3225A和太陽誘電的PAS系列具有11 mF與320毫米×2.5毫米包14μF的組成部分。雖然超級電容器提供優(yōu)越的能量密度，其特性曲線可以是復雜得多。超級電容器結(jié)合幾個電容器，其可以各向相對顯著總漏電流為特定的裝置(圖4)。其結(jié)果是，設計人員可以找到他們需要接受程度的能量損失，由于泄漏電流來獲得格外高密度能量存儲容量可用這些組件。

圖4：超級電容器由多個電容器(A)中，每個有助于整體的漏電流(B)的建立。(村田制作所提供)綜上所述，不同于傳統(tǒng)的應用，從設計低能耗的環(huán)境資源要求自己工作期間耗電量小的組件，收集能量。雖然設計者可能已經(jīng)被取消資格，因為它們具有相對高的漏電流，在過去的電解電容器，今天制造商提供與良好匹配的許多能量收集應用特性的電解電容器。而替代的技術，如薄膜電容器和陶瓷電容器提供改善的特性，尺寸緊湊和高電容，超級電容器提供高能量密度更高的泄漏和ESR的成本。